Service-Oriented Fast Frequency Response from Flexible Loads and Energy Storage in Low-Inertia Power Systems

📄 arXiv: 2512.15677v1 📥 PDF

作者: Xiaojie Tao, Rajit Gadh

分类: eess.SY

发布日期: 2025-12-17

💡 一句话要点

提出面向服务的快速频率响应框架，用于低惯量电力系统中灵活负荷和储能的协调控制。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 快速频率响应 低惯量系统 灵活负荷 储能系统 面向服务架构 电力系统稳定 动态资源分配

📋 核心要点

  1. 现有研究缺乏将异构快速频率响应（FFR）能力转化为系统级频率服务的系统框架，无法有效利用灵活资源。
  2. 论文提出一种面向服务的协调框架，将频率支持分解为多个服务层，动态分配FFR职责，实现异构资源的协同。
  3. 该方法考虑了响应延迟、饱和限制和能量约束，优化调度策略，提升了低惯量电力系统的频率稳定性。

📝 摘要（中文）

随着基于逆变器的可再生能源发电渗透率不断提高，系统惯性显著降低，使得现代电网在受到扰动后更容易出现快速频率偏差。虽然包括电动汽车（EV）、数据中心和电池储能系统（BESS）在内的各种灵活资源已经展示了提供快速频率响应（FFR）的物理能力，但现有研究主要集中在单个资源性能或控制器层面的设计。一个将异构FFR能力转化为可部署的系统级频率服务的系统框架在很大程度上仍未被探索。本文提出了一种面向服务的快速频率响应协调框架，用于灵活负荷和储能，弥合了物理能力评估和电网运行利用之间的差距。该框架基于响应速度、功率容量和能量可持续性将频率支持分解为多个时间关键的服务层，并相应地在异构资源之间动态分配FFR职责。通过显式考虑响应延迟、饱和限制和能量约束，所提出的方法能够进行协调调度，优先考虑超快速资源用于初始频率抑制，同时利用较慢但能量丰富的资源来维持恢复。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决低惯量电力系统中，由于可再生能源高渗透率导致系统频率稳定性下降的问题。现有方法主要关注单个灵活资源的控制，缺乏系统层面的协调机制，无法充分利用各种异构资源（如电动汽车、数据中心、电池储能）的快速频率响应能力。现有方法忽略了不同资源的响应速度、功率容量和能量约束的差异，导致资源利用效率低下，系统频率控制效果不佳。

核心思路：论文的核心思路是将快速频率响应服务分解为多个时间关键的服务层，每个服务层对应不同的响应速度、功率容量和能量可持续性要求。通过面向服务的架构，将异构资源的物理能力映射到不同的服务层，并根据系统频率偏差的严重程度和时间演化，动态分配FFR职责。这种分层协调机制能够充分利用各种资源的优势，实现更快速、更稳定和更可持续的频率控制。

技术框架：该框架包含以下主要模块：1) 频率偏差检测模块，实时监测系统频率偏差；2) 服务层定义模块，根据响应速度、功率容量和能量可持续性将频率支持分解为多个服务层；3) 资源能力评估模块，评估各种灵活资源的FFR能力，并将其映射到相应的服务层；4) 动态资源分配模块，根据频率偏差的严重程度和时间演化，动态分配FFR职责给不同的资源；5) 控制器设计模块，设计针对不同资源和不同服务层的控制器，实现精确的频率控制。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了面向服务的快速频率响应协调框架，将频率支持分解为多个时间关键的服务层，并动态分配FFR职责。与现有方法相比，该框架能够更好地利用异构资源的优势，实现更快速、更稳定和更可持续的频率控制。此外，该框架显式考虑了响应延迟、饱和限制和能量约束，优化了资源调度策略，提高了资源利用效率。

关键设计：关键设计包括：1) 服务层的划分标准，如何根据响应速度、功率容量和能量可持续性合理划分服务层；2) 资源能力评估方法，如何准确评估各种灵活资源的FFR能力；3) 动态资源分配算法，如何根据频率偏差的严重程度和时间演化，优化资源分配策略；4) 控制器设计，如何针对不同资源和不同服务层设计合适的控制器，实现精确的频率控制。具体的参数设置、损失函数、网络结构等技术细节在论文中未详细说明，属于未知信息。

📊 实验亮点

论文重点在于框架设计，实验结果未知。但该框架通过分层协调和动态资源分配，有望显著提升低惯量电力系统的频率响应速度和稳定性。与传统的单个资源控制方法相比，该框架能够更有效地利用异构资源的优势，实现更优的频率控制效果。具体的性能数据、对比基线、提升幅度等属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于提高低惯量电力系统的频率稳定性，促进可再生能源的更大规模接入。通过协调电动汽车、数据中心和电池储能等灵活资源，可以有效应对系统扰动，减少停电风险，提高电网运行的可靠性和经济性。该框架还可扩展到其他类型的灵活资源，并与其他电网控制技术相结合，构建更智能、更灵活的电力系统。

📄 摘要（原文）

The increasing penetration of inverter-based renewable generation has significantly reduced system inertia, making modern power grids more vulnerable to rapid frequency deviations following disturbances. While a wide range of flexible resources-including electric vehicles (EVs), data centers, and battery energy storage systems (BESS)-have demonstrated the physical capability to provide fast frequency response (FFR), existing studies primarily focus on individual resource performance or controller-level designs. A systematic framework that translates heterogeneous FFR capabilities into deployable, system-level frequency services remains largely unexplored. This paper proposes a service-oriented coordination framework for fast frequency response from flexible loads and energy storage, bridging the gap between physical capability assessment and grid-operational utilization. The framework decomposes frequency support into multiple time-critical service layers based on response speed, power capacity, and energy sustainability, and dynamically allocates FFR responsibilities among heterogeneous resources accordingly. By explicitly accounting for response latency, saturation limits, and energy constraints, the proposed approach enables coordinated dispatch that prioritizes ultra-fast resources for initial frequency arrest while leveraging slower but energy-rich resources to sustain recovery.