Design of Grid Forming Multi Timescale Coordinated Control Strategies for Dynamic Virtual Power Plants
作者: Yan Tong, Qin Wang, Sihao Chen, Xue Hu, Zhaoyuan Wu
分类: eess.SY
发布日期: 2026-03-05
💡 一句话要点
针对弱电网，提出基于多时间尺度协调控制的动态虚拟电厂设计
🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)
关键词: 动态虚拟电厂 并网型控制 多时间尺度协调 分布式能源 弱电网
📋 核心要点
- 传统VPP静态聚合策略忽略设备响应时间差异，限制了弱电网的灵活性和稳定性。
- 提出动态VPP，采用并网型控制协调异构资源，利用虚拟同步发电机提供惯性和阻尼。
- 通过动态参与因子框架和分频段分配策略，实现多时间尺度资源优化，提升稳定性和辅助服务性能。
📝 摘要（中文）
随着分布式能源（DERs）渗透率的不断提高，传统同步发电机的频率和电压支撑作用减弱，这降低了电网的稳定性，并增加了对快速自适应控制的需求，尤其是在弱电网中。然而，大多数虚拟电厂（VPPs）依赖于静态聚合和基于计划的资源分配策略，忽略了设备响应时间的差异，限制了辅助服务的灵活性。为了解决这个问题，我们提出了一种动态虚拟电厂（DVPP），它使用并网型控制在多个时间尺度上协调异构资源。我们首先对比了并网型和离网型变流器：并网型设计依赖于锁相环，这可能会破坏弱电网的稳定性，而我们的DVPP在聚合层面应用虚拟同步发电机控制，以提供有效的惯性和阻尼。然后，我们引入了一个动态参与因子框架，通过频率有功功率和电压无功功率环路来衡量每个设备的贡献。利用设备异构性，我们采用分频段分配策略：慢速资源管理稳态和低频调节；中速资源平滑过渡；快速资源提供快速响应和高频阻尼。对比仿真表明，与传统VPP相比，这种协调的、时间尺度感知的方案增强了稳定性和辅助服务性能。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决高比例分布式能源接入的弱电网中，传统虚拟电厂（VPP）由于采用静态聚合和资源分配策略，无法有效利用异构分布式能源（DERs）在不同时间尺度上的响应特性，导致电网稳定性和辅助服务能力下降的问题。现有VPP方法忽略了DERs响应时间的差异，并且依赖于易受弱电网影响的锁相环（PLL）技术。
核心思路：论文的核心思路是构建一个动态虚拟电厂（DVPP），通过并网型控制（Grid Forming Control）模拟同步发电机的惯性和阻尼特性，增强电网的稳定性。同时，利用DERs在不同时间尺度上的响应能力，采用分频段分配策略，将不同响应速度的资源分配到不同的频率控制环路中，实现多时间尺度的协调控制。
技术框架：DVPP的整体架构包括以下几个主要模块：1) 虚拟同步发电机（VSG）控制模块，用于在聚合层面提供惯性和阻尼；2) 动态参与因子计算模块，用于评估每个DER在频率和电压控制中的贡献；3) 分频段资源分配模块，根据DER的响应速度将其分配到不同的控制频段；4) 协调控制模块，用于协调不同时间尺度的资源，实现整体优化。
关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了基于并网型控制的DVPP架构，避免了对锁相环的依赖，增强了弱电网的稳定性；2) 引入了动态参与因子框架，能够实时评估DER的贡献，实现更精细的资源分配；3) 提出了分频段资源分配策略，充分利用了DERs在不同时间尺度上的响应特性，提高了控制效率。
关键设计：动态参与因子基于DER的有功功率和无功功率对频率和电压的贡献来计算，具体公式未知。分频段资源分配策略将DER分为快速、中速和慢速三类，分别负责高频阻尼、过渡平滑和稳态调节。具体的频段划分和控制参数（如VSG的虚拟惯量和阻尼系数）需要根据电网的实际情况进行调整。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
仿真结果表明，所提出的动态虚拟电厂（DVPP）相比于传统的虚拟电厂（VPP），在弱电网环境下能够显著提高系统的稳定性。具体而言，DVPP能够有效抑制频率和电压的波动，并提供更快的响应速度，从而改善电网的暂态性能。虽然论文中没有给出具体的性能数据和提升幅度，但强调了DVPP在稳定性和辅助服务性能方面的优势。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于高比例可再生能源接入的微电网和配电网，尤其是在电网结构薄弱的地区。通过动态协调分布式能源，提高电网的稳定性和可靠性，促进可再生能源的消纳，并为电网提供辅助服务，如调频和调压，具有重要的实际应用价值和经济效益。
📄 摘要（原文）
As the penetration level of distributed energy resources (DERs) continues to rise, traditional frequency and voltage support from synchronous machines declines. This weakens grid stability and increases the need for fast and adaptive control in a dynamic manner, especially in weak grids. However, most virtual power plants (VPPs) rely on static aggregation and plan based resource allocation strategies. These methods overlook differences in device response times and limit flexibility for ancillary services. To address this issue, we propose a dynamic virtual power plant (DVPP) that coordinates heterogeneous resources across multiple time scales using grid forming control. We first contrast grid following and grid forming converters: grid following designs rely on a phase locked loop which can undermine stability in weak grids, whereas our DVPP applies virtual synchronous generator control at the aggregate level to provide effective inertia and damping. Then, we introduce a dynamic participation factor framework that measures each device s contribution through the frequency active power and voltage reactive power loops. Exploiting device heterogeneity, we adopt a banded allocation strategy: slow resources manage steady state and low frequency regulation; intermediate resources smooth transitions; and fast resources deliver rapid response and high frequency damping. Comparative simulations demonstrate that this coordinated, timescale aware approach enhances stability and ancillary service performance compared to conventional VPPs.