規模化分布式能源參與大電網安全穩定控制的機制初探

曹永吉，張恒旭，施嘯寒，徐清文，李常剛，李 威

（1.電網智能化調度與控制教育部重點實驗室（山東大學），山東省濟南市 250061；2.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；3.智能電網保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇省南京市 211106）

0 引言

為應對氣候變暖等全球性挑戰，《巴黎協定》明確了21世紀末前將全球平均溫升控制在2℃內的減排目標［1-2］。2020年，中國進一步提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的雙碳目標［3-5］。大力發展風電、光伏等可再生能源及電動汽車，推進能源轉型、電能替代，構建以新能源為主體的新型電力系統已經勢在必行［6］。

根據國家統計局發布的數據，截至2020年底，中國并網風電和光伏裝機容量已分別達到281.5 GW和253.4 GW，電動汽車產量達到145.6萬輛［7］。大容量特高壓直流是集中式可再生能源的重要傳輸路徑，世界范圍內已經形成若干交直流混聯電網［8］。隨著集中式可再生能源的開發空間趨于飽和，發展分布式能源（distributed energy resource，DER）是雙碳目標驅動下的必然選擇［9-10］。規模化風電、光伏、電動汽車及特高壓直流將給新型電力系統帶來嚴峻的挑戰，如何保障其安全穩定運行、支撐可再生能源消納，是亟須解決的問題。

目前，中國大電網安全穩定控制主要以火電機組等傳統電源控制和切負荷控制為主導，由三道防線組成［11-17］。其中，文獻［11-13］提出考慮時空協調的大電網安全穩定控制框架，剖析大停電的演化規律，闡述三道防線內部及防線間的協同機制。文獻［14-15］探討了極端外部災害下的大電網安全防御機制，歸納了極端外部環境引發停電災難的特點及三道防線面臨的挑戰，提出將防御框架向兩端擴展。文 獻［16］基 于 廣 域 測 量 系 統（wide-area measurement system，WAMS）實現大電網同步信息的實時監測，提出時空大數據環境下的大電網自適應防御體系。文獻［17］計及通信安全，提出通信信息三道防線的概念，構建電力-信息融合的大電網停電防御框架。

海量異構型DER并網將導致新型電力系統電源側的穩定控制資源發生較大變化。區別于傳統集中式火電機組，DER的可觀性和可控性較低，一般等效為負的負荷，其組織形態及參與穩定控制的機制亟待研究。切負荷是三道防線中的重要措施，能夠有效防止電網崩潰［18-19］，但存在成本高、社會負面影響大的問題。精準切負荷降低了控制的電壓等級，由變電站出線延伸到可中斷的大用戶負荷，在一定程度上降低了成本和負面影響［20］。但在新型電力系統中，傳統集中式火電機組等可控資源減少，以增加切負荷/精細化切負荷控制量的方式來保障其安全穩定較為受限。如何權衡DER穩態運行經濟性與暫態響應能力間的矛盾，有效聚合并參與大電網安全穩定控制，也是亟待研究的問題。

文獻［21-24］研究了DER接入場景下的電力系統運行機制，但其以安全穩定為研究邊界，是面向經濟性、市場化的運營模式。安全穩定是電力系統的本質問題，構建以新能源為主體的新型電力系統應首先立足于其安全穩定運行，再以此為前提開展經濟性、市場化的研究。虛擬電廠（virtual power plant，VPP）通過聚合DER來參與電力市場，利用市場的調節作用增強DER與大電網間的互動［25-29］。雖然VPP依賴于電力市場的作用，且仍然側重于經濟性，但其對所聚合的DER的空間位置、組成結構和運行特性沒有特定的要求，提供了一種靈活性強、適應度高的資源組織和管理形式。

針對雙碳目標驅動下電力系統結構形態的變化，探索了新的控制形態，提出了基于VPP的交互機制，嘗試為海量異構型DER的組織形態及與大電網的交互形式提供一種方案，以將其納入可控資源的范疇來補充、增強三道防線。論述由當前電力系統向新型電力系統衍變過程中，其結構形態的變化，分析安全穩定控制所面臨的挑戰。闡述VPP的定義、組成和特性，提出其調控架構和運行機制，并總結該領域中亟待研究的內容，給出后續研究建議。

1 雙碳目標驅動下電力系統的衍變

1.1 新型電力系統結構形態的變化

在雙碳目標的驅動下，集中/分布式可再生能源-直流-多元化負荷將成為新型電力系統的重要組成，給電能生產-傳輸-利用環節的結構形態帶來了變化，如表1所示。

表1 電網結構形態的衍變Table 1 Evolution of power grid structural form

相較于當前的電力系統，新型電力系統的特點如圖1所示。在電能生產環節中，新型電力系統以集中/分布式的風電、光伏取代傳統集中式的火電機組作為主導電源。為實現雙碳目標，可再生能源的發電容量和比例將達到一個非常高的水平，全網整體上將以可再生能源為主導。在某些特定的局部地區，可能存在各類可再生能源均不適合發展的場景，這些局部地區將仍以傳統電源為主導。因此，新型電力系統將呈現出全網以新能源主導、局部以傳統電源主導的電能生產特點。

圖1 新型電力系統的特點Fig.1 Characteristics of new power system

以火電機組為代表的傳統電源運行可控性高、抗擾性強、等效慣量大，且集中式接入有利于參與電力系統的統一調控。相比之下，風電、光伏等可再生能源大多采用電力電子裝置，具有不確定性高、抗擾性弱、等效慣量小等特點，且采用分布式接入時，低可觀性和低可控性問題突出。

在電能傳輸環節中，新型電力系統交直流混聯程度加深。大容量特高壓直流運行增加了潛在大擾動事故和連鎖事故發生的風險，且其采用電力電子裝置導致弱抗擾、低慣量等問題進一步加劇。特高壓直流實現了區域電網的異步互聯，使得送受端交流系統的等效慣量和安全穩定控制能力不能共享，相同擾動量下的動態響應更加劇烈。

在電能利用環節中，電能替代是實現碳達峰和碳中和目標的重要途徑。電力多元化轉換（P2X）技術得到快速發展并應用于交通、工業等領域，推動電能利用環節由傳統的照明和電動機負荷擴展到電動汽車充電、電化學等多元化負荷。新型電力系統負荷側將呈現出以電動汽車充電負荷快速發展為代表的電能利用多元化、電力電子化的特點。多元化負荷接入導致新型電力系統需求側長時間尺度的電能消耗特性和短時間尺度的暫態響應特性更加復雜。電動汽車充電負荷的時空不確定性較強，接入電網時表現出沖擊特性，且各類電力電子負荷的速動性與弱抗擾性間矛盾較為突出。

1.2 新型電力系統安全穩定運行面臨的挑戰

1）源-荷兩側雙重強不確定性

風電、光伏等可再生能源導致電力系統電源側出力波動的不確定性增加，而電動汽車等多元化負荷進一步加劇了需求側的不確定性。新型電力系統將面臨源-荷兩側雙重強不確定性的挑戰。一方面，源-荷的強不確定性限制了其作為調度和安全穩定控制資源的有效性。另一方面，在長時間尺度下的爬坡、調峰與短時間尺度下的調頻過程中，有功功率的平衡難度增加；在擾動事故后，源-荷不確定性的功率變化與擾動功率疊加，在一定程度上會加劇事故的嚴重程度，甚至激發出連鎖事故。

2）分布式資源低可觀性與低可控性

集中式電源由大電網統一調控，其可觀性和可控性較高，而DER一般等效為負的負荷，其可觀性和可控性較低。在正常運行下，大電網缺乏對DER統一的優化調度，影響了整體的運行經濟性。在擾動事故后，以微電網等形態接入的DER不能有效地提供功率支撐和參與大電網安全穩定控制；相反，其往往以保護自身為目的，切換為離網模式運行，在功率反送場景下會加劇事故的嚴重程度。

3）電力電子化電源低慣量和弱抗擾

集中/分布式可再生能源-特高壓直流-多元化負荷大多通過電力電子裝置并網，這會導致新型電力系統的主導特性由以同步機轉子運動方程及電磁暫態方程為代表的響應特性轉變為電力電子裝置的控制特性。電力電子化電源與電網側頻率解耦，在未附加相關控制時，不提供慣量及參與調頻控制。大規模電力電子化電源接入電網并替換原有的火電機組，將導致系統等效慣量降低，事故后的頻率動態響應更加劇烈，安全穩定控制動作時間縮短、可控資源量減少，發生大頻率偏移甚至失穩的概率增加。另一方面，電力電子化電源抗擾動能力較弱，頻率、電壓動態響應過程中若導致其大范圍脫網，二者相互激勵，存在引發電網崩潰的風險。

2 VPP的內涵

2.1 VPP的定義及組成

在新型電力系統中，以火電機組為代表的可控資源量減少，需要在DER的并網形態和運行機制中考慮其響應大電網調控的能力。如何協調大電網安全穩定運行和海量DER的經濟、高效接入，是大電網和DER交互機制面臨的問題。將強不確定、低慣量、弱抗擾、低可觀和低可控的DER組織成電網友好型、主動參與調控尤其是三道防線的資源，關系到新型電力系統的安全穩定運行和可再生能源消納。

VPP以電力市場的調節作用為主要驅動力，通過先進的通信、量測和控制等技術，將地理位置相對分散的DER聚合成虛擬單元，整體性地響應電力系統調控，參與電力市場交易［25-26］。在新型電力系統中，尤其是2060年達到碳中和目標后，可再生能源的發電容量和比例將達到一個非常高的水平，分布式風電、光伏、儲能及需求響應普遍存在，將會形成以其中部分資源為主導的VPP形式。在當前以火電機組為主導的電力系統中，仍然可以利用VPP聚合可觀性和可控性較低的DER，參與大電網調控，起到增強安全穩定控制能力、促進可再生能源消納等作用。

VPP的組成結構如圖2所示。其中，DER涵蓋分布式可再生能源、傳統發電機組、電動汽車等可控負荷和儲能裝置等資源。根據內部主導負荷的不同，可將VPP分為住宅型、工業型和商業型，以在運行策略制定的過程中考慮不同的用戶行為。VPP對內部的DER進行了有效聚合和優化管理，并以一個虛擬單元的形態與大電網進行交互，將其等效的并網節點定義為虛擬公共耦合點（virtual point of common coupling，VPCC）。從大電網的角度來看，VPP的并網特性為其VPCC表現的等效對外特性，而非內部各DER的運行特性。

圖2 VPP的組成結構Fig.2 Composition and structure of VPP

2.2 VPP的功能特征

VPP包括穩態運行經濟性和暫態支撐大電網兩方面屬性，綜合經濟性、消納可再生能源和支撐大電網安全穩定等目標。相較于大型火電機組、集中式可再生能源、微電網和精準切負荷等，VPP具有以下特性。

1）大型火電機組的靈活性受其輔機、原動機和同步機的熱力學動態和動力學動態過程的影響，其啟/停和響應大電網調控的能力有限。VPP內部包含儲能裝置和電動汽車等電力電子化負荷，其動態過程以控制器的控制特性為主導，具有較好的響應性能，靈活性在一定程度上比火電機組更好。

2）集中式可再生能源出力波動的不確定性問題突出，即使配置儲能等來構建集中式風-光-儲混合發電系統，其就地平抑能力仍然有限。VPP在包含分布式風-光-儲的基礎上，還包含傳統分布式機組、儲能裝置和電動汽車等可控負荷，其就地平抑甚至反向靈活調節的能力突出。

3）微電網、主動配電網等的管控對象以區域內的DER為主，各資源在區域內集群分布。VPP的內部資源在空間上相對分散，對DER的地理位置和并網點沒有特定要求，組織形式更加靈活。在擾動事故后，微電網等往往優先保護自身，切換為離網模式運行而非主動參與大電網的安全穩定控制。VPP在經濟運行的基礎上，增加了暫態支撐大電網的功能，可通過涉網標準及市場調節來推動VPP參與三道防線的相關控制。

4）精準切負荷主要面向安全穩定控制的第二道防線，降低了傳統切負荷的電壓等級，由變電站出線延伸到可中斷的大用戶負荷，并以區域內的大用戶負荷為主要控制資源。VPP包括穩態運行經濟性和暫態支撐大電網兩方面屬性，涉及安全穩定控制的三道防線，虛擬的組織形式較為靈活，且控制資源包括跨空間的分布式風電、光伏、儲能、需求響應、傳統機組，以及不同精細化水平和不同重要程度的負荷。

5）VPP提供暫態支撐大電網的功能，與穩態運行時的經濟性相矛盾，將會增加運行成本。VPP參與安全穩定控制會增加內部機械元件的磨損程度和儲能裝置的充放電頻次，導致設備使用壽命減少、維護成本增加等問題。

3 VPP的運行機制

3.1 VPP的調控架構

在VPP內部，海量DER運行需要一定的優化管理，以實現穩態下的經濟性、可再生能源消納以及暫態下支撐大電網安全穩定等目標。VPP調控包含其內部資源的協調及其與大電網間的協調兩個層面的內容，同時涉及穩態運行與暫態控制。因此，基于多代理技術，構建VPP雙層調控架構，以實現其在不同運行狀態下內部資源的優化管理及與大電網間的友好交互，如圖3所示。

圖3 VPP調控架構Fig.3 Dispatch and control architecture of VPP

VPP的調控架構可分為兩層，其中，內層為VPP管理層，主要負責管理內部資源及與大電網的交互；外層為大電網調控層，主要對VPP和集中式電廠等可控資源進行統一調控。VPP管理層內部采用多代理技術，與大電網調控層通過信息網絡進行采集數據及控制指令的交互，并通過VPCC進行物理層面上的交互。考慮到穩態運行與暫態控制目標的差異，VPP內部控制中心由優化調度代理和緊急控制代理組成。

在數據監測方面，適用于配電網層面的相量測量單元（phasor measurement unit，PMU）及相關技術已經較為成熟［30-31］。利用配電網PMU及其WAMS可以提供高刷新頻率、高可靠性、同步、寬頻帶的量測數據，能夠滿足VPP的調控需求。在三道防線中，緊急控制對速動性要求較高，一般穩控系統全程控制時間應不大于300 ms。利用光纖、4G和5G等技術構建的電力專網能夠提供高速、高質量的信息傳輸，且VPP內部的儲能裝置、電動汽車充電負荷等電力電子化可控資源響應速度較快，通過在線預決策、實時匹配的方式能夠滿足緊急控制對動作時間的要求。

在新型電力系統中，大規模DER在空間上差異化分布，直接由電網調控中心到DER終端的集中控制可行性較低。VPP聚合了海量跨空間分布的DER，以虛擬單元的形式響應大電網調控，由電網調控中心到VPP的集中控制具有一定的可行性。除集中控制外，VPP內部的下層代理及DER終端還能夠基于就地信息執行分散式控制。

3.2 VPP的內部運行機制

根據電網運行狀態的不同，VPP的內部運行由優化調度代理或緊急控制代理進行決策，如圖4所示，其決策變量為內部相關資源的控制指令。

圖4 VPP運行機制Fig.4 Operation mechanism of VPP

在正常運行狀態下，由優化調度代理接收大電網對VPP的調控指令，進而控制下層代理，以調整DER的運行狀態來滿足VPCC的電氣量要求和響應運行方式調整。在擾動事故后的緊急狀態下，緊急控制代理接收大電網的控制指令，進而接管優化調度代理對下層代理的控制權，充分調動VPP的內部可控資源來響應大電網的安全穩定控制。

優化調度代理在進行決策時，應綜合考慮跟蹤大電網的控制指令、提高運行經濟性和增加可再生能源消納等目標，以及滿足功率備用容量約束、VPCC和內部節點的電氣量約束與內部資源的運行約束。在緊急控制代理的下層代理中增加了切負荷控制代理，以實現極端事故場景下VPP內部的切負荷功能。緊急控制代理在進行決策時，應優先跟蹤大電網的安全穩定控制指令，進而考慮經濟性等目標，并滿足相關約束。

3.3 VPP與大電網的交互機制

VPP以虛擬單元的形式與大電網在不同運行狀態下進行交互，如圖4所示。在正常運行狀態下，VPP追蹤大電網的調度指令，并參與調頻、調峰和運行方式調整等；在擾動事故后，切換為緊急控制模式，為保障電力系統穩定提供支撐。

為確保VPP響應大電網安全穩定控制的能力，其在正常運行時需要保持一定的功率備用。與常規電廠類似，VPP的功率備用主要可分為以下兩部分［32］：

1）從并網導則的角度，可以將VPP在運行過程中保持一定百分比裝機容量的熱備用及承擔安全穩定控制的責任作為準許其并網的標準；

2）從電力市場的角度，在上述基本備用的基礎上，通過市場定價機制和補償機制促使VPP提供額外的備用容量，以滿足大電網的備用需求。

在安全穩定控制三道防線中，第一道防線可進一步細分為規劃建設、預防控制和繼電保護；第二道防線和第三道防線分別以緊急控制和校正控制為主［11］。從規劃階段到調控階段，VPP與三道防線間的交互關系如圖5所示。

圖5 VPP與三道防線間的關系Fig.5 Relationship between VPP and three defense lines

VPP在一定程度上具有比傳統火電機組更好的靈活性，其規模化配置能夠增強大電網的調控能力，改善擾動事故后的動態響應。在規劃階段，通過考慮大電網的薄弱環節，并將調控能力作為約束條件或多目標優化的目標之一，能夠利用VPP來提供充足的可控資源。在預防控制中，VPP可以響應電力系統運行方式調整。大電網調控中心對VPP和常規電廠等可控資源進行協同決策，然后由優化調度代理接收指令并通過下層代理來調節內部資源的運行狀態。

針對第二道防線，VPP內部以分布式可再生能源、儲能、需求響應和不同精細化水平的切負荷等為響應速度較快的可控資源。在緊急控制觸發后，VPP由緊急控制代理接收指令，并通過內部電力電子化源-荷、儲能的快速響應及切負荷控制來滿足所需承擔的控制需求。VPP聚合空間分散的電力電子化源-荷和儲能作為可控資源參與緊急控制，能夠替換原本所需的切負荷/切機量，降低成本和社會影響，達到以控代切的目的。

在極端事故場景下，VPP內部的下層代理及DER終端能夠基于就地動態響應軌跡的偏移來觸發分散式的切機/切負荷控制，以參與第三道防線，降低發生電力系統崩潰的可能性。

4 研究展望

本文提出基于VPP實現海量可觀性和可控性較低的DER與大電網間的友好交互，嘗試為新型電力系統安全穩定控制機制及DER的組織形態提供一種方案。但關于VPP的研究還相對初步，在該領域內仍有相關內容亟待研究，總結如下。

1）含海量異構型DER的VPP模型構建方法。VPP模型構建是規劃和調控的基礎。由于聚合了海量異構型DER，VPP在時間尺度上的狀態變化和空間尺度上的資源分布導致了其模型的復雜性。復雜的聚合模型能夠保證VPP內部單元特征模擬的準確性，但會限制其應用于分析和決策的有效性。模型的復雜性將對參數辨識、仿真計算提出較高的要求。如何權衡海量組成單元精細化特征模擬與模型參數辨識、計算效率間的矛盾，構建VPP模型，并提出其參數辨識和高效仿真方法是亟須解決的問題。

2）VPP內部資源多時間尺度優化調控方法。VPP內部資源的調控問題涉及多個時間尺度，其優化目標、約束條件及調控對象等受電網運行狀態的影響。在正常運行時，VPP內部資源調控應考慮經濟性、可再生能源消納等目標；在擾動事故發生后，VPP主動切換控制模式為電力系統安全穩定提供支撐。如何權衡VPP穩態運行經濟性與暫態響應能力之間的矛盾，提出VPP內部資源多時間尺度優化調控方法，是迫切需要研究的問題之一。

3）VPP集群參與下的大電網緊急控制決策方法。可再生能源強波動、弱抗擾等特征使得大電網運行方式和暫態過程的不確定性明顯，緊急控制的決策空間顯著擴大且具有時變性。VPP參與場景下，VPP之間以及VPP與集中式電源、切負荷等的協調配合加劇了問題的復雜程度，導致其優化模型高維、非線性、多目標等特征突出。如何權衡VPP集群和大電網構成的高維控制決策空間與緊急控制速動性間的矛盾，提出協同的控制決策及高效求解方法，是該領域內的重要挑戰。

5 結語

在雙碳目標驅動下，可再生能源的快速發展已成為必然。以可再生能源為主體的能源供給導致電力系統形態發生變化，需要新的技術體系支撐。針對海量可觀性和可控性較低的DER接入下大電網的安全穩定運行問題，探討DER的組織形態和與大電網的友好交互形式，提出基于VPP的控制機制，給出功能性描述框架，并討論了需要研究的關鍵技術問題，嘗試啟發和支撐新型電力系統構建相關理論體系的發展。在新型電力系統中，信號形態、繼電保護故障形態等將發生較大變化，寬頻振蕩等問題與其他新興技術體系同樣值得深入探討。