规模化分布式能源参与大电网安全稳定控制的机制初探

曹永吉，张恒旭，施啸寒，徐清文，李常刚，李 威

（1.电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东省济南市 250061；2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106；3.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏省南京市 211106）

0 引言

为应对气候变暖等全球性挑战，《巴黎协定》明确了21世纪末前将全球平均温升控制在2℃内的减排目标［1-2］。2020年，中国进一步提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的双碳目标［3-5］。大力发展风电、光伏等可再生能源及电动汽车，推进能源转型、电能替代，构建以新能源为主体的新型电力系统已经势在必行［6］。

根据国家统计局发布的数据，截至2020年底，中国并网风电和光伏装机容量已分别达到281.5 GW和253.4 GW，电动汽车产量达到145.6万辆［7］。大容量特高压直流是集中式可再生能源的重要传输路径，世界范围内已经形成若干交直流混联电网［8］。随着集中式可再生能源的开发空间趋于饱和，发展分布式能源（distributed energy resource，DER）是双碳目标驱动下的必然选择［9-10］。规模化风电、光伏、电动汽车及特高压直流将给新型电力系统带来严峻的挑战，如何保障其安全稳定运行、支撑可再生能源消纳，是亟须解决的问题。

目前，中国大电网安全稳定控制主要以火电机组等传统电源控制和切负荷控制为主导，由三道防线组成［11-17］。其中，文献［11-13］提出考虑时空协调的大电网安全稳定控制框架，剖析大停电的演化规律，阐述三道防线内部及防线间的协同机制。文献［14-15］探讨了极端外部灾害下的大电网安全防御机制，归纳了极端外部环境引发停电灾难的特点及三道防线面临的挑战，提出将防御框架向两端扩展。文 献［16］基 于 广 域 测 量 系 统（wide-area measurement system，WAMS）实现大电网同步信息的实时监测，提出时空大数据环境下的大电网自适应防御体系。文献［17］计及通信安全，提出通信信息三道防线的概念，构建电力-信息融合的大电网停电防御框架。

海量异构型DER并网将导致新型电力系统电源侧的稳定控制资源发生较大变化。区别于传统集中式火电机组，DER的可观性和可控性较低，一般等效为负的负荷，其组织形态及参与稳定控制的机制亟待研究。切负荷是三道防线中的重要措施，能够有效防止电网崩溃［18-19］，但存在成本高、社会负面影响大的问题。精准切负荷降低了控制的电压等级，由变电站出线延伸到可中断的大用户负荷，在一定程度上降低了成本和负面影响［20］。但在新型电力系统中，传统集中式火电机组等可控资源减少，以增加切负荷/精细化切负荷控制量的方式来保障其安全稳定较为受限。如何权衡DER稳态运行经济性与暂态响应能力间的矛盾，有效聚合并参与大电网安全稳定控制，也是亟待研究的问题。

文献［21-24］研究了DER接入场景下的电力系统运行机制，但其以安全稳定为研究边界，是面向经济性、市场化的运营模式。安全稳定是电力系统的本质问题，构建以新能源为主体的新型电力系统应首先立足于其安全稳定运行，再以此为前提开展经济性、市场化的研究。虚拟电厂（virtual power plant，VPP）通过聚合DER来参与电力市场，利用市场的调节作用增强DER与大电网间的互动［25-29］。虽然VPP依赖于电力市场的作用，且仍然侧重于经济性，但其对所聚合的DER的空间位置、组成结构和运行特性没有特定的要求，提供了一种灵活性强、适应度高的资源组织和管理形式。

针对双碳目标驱动下电力系统结构形态的变化，探索了新的控制形态，提出了基于VPP的交互机制，尝试为海量异构型DER的组织形态及与大电网的交互形式提供一种方案，以将其纳入可控资源的范畴来补充、增强三道防线。论述由当前电力系统向新型电力系统衍变过程中，其结构形态的变化，分析安全稳定控制所面临的挑战。阐述VPP的定义、组成和特性，提出其调控架构和运行机制，并总结该领域中亟待研究的内容，给出后续研究建议。

1 双碳目标驱动下电力系统的衍变

1.1 新型电力系统结构形态的变化

在双碳目标的驱动下，集中/分布式可再生能源-直流-多元化负荷将成为新型电力系统的重要组成，给电能生产-传输-利用环节的结构形态带来了变化，如表1所示。

表1 电网结构形态的衍变Table 1 Evolution of power grid structural form

相较于当前的电力系统，新型电力系统的特点如图1所示。在电能生产环节中，新型电力系统以集中/分布式的风电、光伏取代传统集中式的火电机组作为主导电源。为实现双碳目标，可再生能源的发电容量和比例将达到一个非常高的水平，全网整体上将以可再生能源为主导。在某些特定的局部地区，可能存在各类可再生能源均不适合发展的场景，这些局部地区将仍以传统电源为主导。因此，新型电力系统将呈现出全网以新能源主导、局部以传统电源主导的电能生产特点。

图1 新型电力系统的特点Fig.1 Characteristics of new power system

以火电机组为代表的传统电源运行可控性高、抗扰性强、等效惯量大，且集中式接入有利于参与电力系统的统一调控。相比之下，风电、光伏等可再生能源大多采用电力电子装置，具有不确定性高、抗扰性弱、等效惯量小等特点，且采用分布式接入时，低可观性和低可控性问题突出。

在电能传输环节中，新型电力系统交直流混联程度加深。大容量特高压直流运行增加了潜在大扰动事故和连锁事故发生的风险，且其采用电力电子装置导致弱抗扰、低惯量等问题进一步加剧。特高压直流实现了区域电网的异步互联，使得送受端交流系统的等效惯量和安全稳定控制能力不能共享，相同扰动量下的动态响应更加剧烈。

在电能利用环节中，电能替代是实现碳达峰和碳中和目标的重要途径。电力多元化转换（P2X）技术得到快速发展并应用于交通、工业等领域，推动电能利用环节由传统的照明和电动机负荷扩展到电动汽车充电、电化学等多元化负荷。新型电力系统负荷侧将呈现出以电动汽车充电负荷快速发展为代表的电能利用多元化、电力电子化的特点。多元化负荷接入导致新型电力系统需求侧长时间尺度的电能消耗特性和短时间尺度的暂态响应特性更加复杂。电动汽车充电负荷的时空不确定性较强，接入电网时表现出冲击特性，且各类电力电子负荷的速动性与弱抗扰性间矛盾较为突出。

1.2 新型电力系统安全稳定运行面临的挑战

1）源-荷两侧双重强不确定性

风电、光伏等可再生能源导致电力系统电源侧出力波动的不确定性增加，而电动汽车等多元化负荷进一步加剧了需求侧的不确定性。新型电力系统将面临源-荷两侧双重强不确定性的挑战。一方面，源-荷的强不确定性限制了其作为调度和安全稳定控制资源的有效性。另一方面，在长时间尺度下的爬坡、调峰与短时间尺度下的调频过程中，有功功率的平衡难度增加；在扰动事故后，源-荷不确定性的功率变化与扰动功率叠加，在一定程度上会加剧事故的严重程度，甚至激发出连锁事故。

2）分布式资源低可观性与低可控性

集中式电源由大电网统一调控，其可观性和可控性较高，而DER一般等效为负的负荷，其可观性和可控性较低。在正常运行下，大电网缺乏对DER统一的优化调度，影响了整体的运行经济性。在扰动事故后，以微电网等形态接入的DER不能有效地提供功率支撑和参与大电网安全稳定控制；相反，其往往以保护自身为目的，切换为离网模式运行，在功率反送场景下会加剧事故的严重程度。

3）电力电子化电源低惯量和弱抗扰

集中/分布式可再生能源-特高压直流-多元化负荷大多通过电力电子装置并网，这会导致新型电力系统的主导特性由以同步机转子运动方程及电磁暂态方程为代表的响应特性转变为电力电子装置的控制特性。电力电子化电源与电网侧频率解耦，在未附加相关控制时，不提供惯量及参与调频控制。大规模电力电子化电源接入电网并替换原有的火电机组，将导致系统等效惯量降低，事故后的频率动态响应更加剧烈，安全稳定控制动作时间缩短、可控资源量减少，发生大频率偏移甚至失稳的概率增加。另一方面，电力电子化电源抗扰动能力较弱，频率、电压动态响应过程中若导致其大范围脱网，二者相互激励，存在引发电网崩溃的风险。

2 VPP的内涵

2.1 VPP的定义及组成

在新型电力系统中，以火电机组为代表的可控资源量减少，需要在DER的并网形态和运行机制中考虑其响应大电网调控的能力。如何协调大电网安全稳定运行和海量DER的经济、高效接入，是大电网和DER交互机制面临的问题。将强不确定、低惯量、弱抗扰、低可观和低可控的DER组织成电网友好型、主动参与调控尤其是三道防线的资源，关系到新型电力系统的安全稳定运行和可再生能源消纳。

VPP以电力市场的调节作用为主要驱动力，通过先进的通信、量测和控制等技术，将地理位置相对分散的DER聚合成虚拟单元，整体性地响应电力系统调控，参与电力市场交易［25-26］。在新型电力系统中，尤其是2060年达到碳中和目标后，可再生能源的发电容量和比例将达到一个非常高的水平，分布式风电、光伏、储能及需求响应普遍存在，将会形成以其中部分资源为主导的VPP形式。在当前以火电机组为主导的电力系统中，仍然可以利用VPP聚合可观性和可控性较低的DER，参与大电网调控，起到增强安全稳定控制能力、促进可再生能源消纳等作用。

VPP的组成结构如图2所示。其中，DER涵盖分布式可再生能源、传统发电机组、电动汽车等可控负荷和储能装置等资源。根据内部主导负荷的不同，可将VPP分为住宅型、工业型和商业型，以在运行策略制定的过程中考虑不同的用户行为。VPP对内部的DER进行了有效聚合和优化管理，并以一个虚拟单元的形态与大电网进行交互，将其等效的并网节点定义为虚拟公共耦合点（virtual point of common coupling，VPCC）。从大电网的角度来看，VPP的并网特性为其VPCC表现的等效对外特性，而非内部各DER的运行特性。

图2 VPP的组成结构Fig.2 Composition and structure of VPP

2.2 VPP的功能特征

VPP包括稳态运行经济性和暂态支撑大电网两方面属性，综合经济性、消纳可再生能源和支撑大电网安全稳定等目标。相较于大型火电机组、集中式可再生能源、微电网和精准切负荷等，VPP具有以下特性。

1）大型火电机组的灵活性受其辅机、原动机和同步机的热力学动态和动力学动态过程的影响，其启/停和响应大电网调控的能力有限。VPP内部包含储能装置和电动汽车等电力电子化负荷，其动态过程以控制器的控制特性为主导，具有较好的响应性能，灵活性在一定程度上比火电机组更好。

2）集中式可再生能源出力波动的不确定性问题突出，即使配置储能等来构建集中式风-光-储混合发电系统，其就地平抑能力仍然有限。VPP在包含分布式风-光-储的基础上，还包含传统分布式机组、储能装置和电动汽车等可控负荷，其就地平抑甚至反向灵活调节的能力突出。

3）微电网、主动配电网等的管控对象以区域内的DER为主，各资源在区域内集群分布。VPP的内部资源在空间上相对分散，对DER的地理位置和并网点没有特定要求，组织形式更加灵活。在扰动事故后，微电网等往往优先保护自身，切换为离网模式运行而非主动参与大电网的安全稳定控制。VPP在经济运行的基础上，增加了暂态支撑大电网的功能，可通过涉网标准及市场调节来推动VPP参与三道防线的相关控制。

4）精准切负荷主要面向安全稳定控制的第二道防线，降低了传统切负荷的电压等级，由变电站出线延伸到可中断的大用户负荷，并以区域内的大用户负荷为主要控制资源。VPP包括稳态运行经济性和暂态支撑大电网两方面属性，涉及安全稳定控制的三道防线，虚拟的组织形式较为灵活，且控制资源包括跨空间的分布式风电、光伏、储能、需求响应、传统机组，以及不同精细化水平和不同重要程度的负荷。

5）VPP提供暂态支撑大电网的功能，与稳态运行时的经济性相矛盾，将会增加运行成本。VPP参与安全稳定控制会增加内部机械元件的磨损程度和储能装置的充放电频次，导致设备使用寿命减少、维护成本增加等问题。

3 VPP的运行机制

3.1 VPP的调控架构

在VPP内部，海量DER运行需要一定的优化管理，以实现稳态下的经济性、可再生能源消纳以及暂态下支撑大电网安全稳定等目标。VPP调控包含其内部资源的协调及其与大电网间的协调两个层面的内容，同时涉及稳态运行与暂态控制。因此，基于多代理技术，构建VPP双层调控架构，以实现其在不同运行状态下内部资源的优化管理及与大电网间的友好交互，如图3所示。

图3 VPP调控架构Fig.3 Dispatch and control architecture of VPP

VPP的调控架构可分为两层，其中，内层为VPP管理层，主要负责管理内部资源及与大电网的交互；外层为大电网调控层，主要对VPP和集中式电厂等可控资源进行统一调控。VPP管理层内部采用多代理技术，与大电网调控层通过信息网络进行采集数据及控制指令的交互，并通过VPCC进行物理层面上的交互。考虑到稳态运行与暂态控制目标的差异，VPP内部控制中心由优化调度代理和紧急控制代理组成。

在数据监测方面，适用于配电网层面的相量测量单元（phasor measurement unit，PMU）及相关技术已经较为成熟［30-31］。利用配电网PMU及其WAMS可以提供高刷新频率、高可靠性、同步、宽频带的量测数据，能够满足VPP的调控需求。在三道防线中，紧急控制对速动性要求较高，一般稳控系统全程控制时间应不大于300 ms。利用光纤、4G和5G等技术构建的电力专网能够提供高速、高质量的信息传输，且VPP内部的储能装置、电动汽车充电负荷等电力电子化可控资源响应速度较快，通过在线预决策、实时匹配的方式能够满足紧急控制对动作时间的要求。

在新型电力系统中，大规模DER在空间上差异化分布，直接由电网调控中心到DER终端的集中控制可行性较低。VPP聚合了海量跨空间分布的DER，以虚拟单元的形式响应大电网调控，由电网调控中心到VPP的集中控制具有一定的可行性。除集中控制外，VPP内部的下层代理及DER终端还能够基于就地信息执行分散式控制。

3.2 VPP的内部运行机制

根据电网运行状态的不同，VPP的内部运行由优化调度代理或紧急控制代理进行决策，如图4所示，其决策变量为内部相关资源的控制指令。

图4 VPP运行机制Fig.4 Operation mechanism of VPP

在正常运行状态下，由优化调度代理接收大电网对VPP的调控指令，进而控制下层代理，以调整DER的运行状态来满足VPCC的电气量要求和响应运行方式调整。在扰动事故后的紧急状态下，紧急控制代理接收大电网的控制指令，进而接管优化调度代理对下层代理的控制权，充分调动VPP的内部可控资源来响应大电网的安全稳定控制。

优化调度代理在进行决策时，应综合考虑跟踪大电网的控制指令、提高运行经济性和增加可再生能源消纳等目标，以及满足功率备用容量约束、VPCC和内部节点的电气量约束与内部资源的运行约束。在紧急控制代理的下层代理中增加了切负荷控制代理，以实现极端事故场景下VPP内部的切负荷功能。紧急控制代理在进行决策时，应优先跟踪大电网的安全稳定控制指令，进而考虑经济性等目标，并满足相关约束。

3.3 VPP与大电网的交互机制

VPP以虚拟单元的形式与大电网在不同运行状态下进行交互，如图4所示。在正常运行状态下，VPP追踪大电网的调度指令，并参与调频、调峰和运行方式调整等；在扰动事故后，切换为紧急控制模式，为保障电力系统稳定提供支撑。

为确保VPP响应大电网安全稳定控制的能力，其在正常运行时需要保持一定的功率备用。与常规电厂类似，VPP的功率备用主要可分为以下两部分［32］：

1）从并网导则的角度，可以将VPP在运行过程中保持一定百分比装机容量的热备用及承担安全稳定控制的责任作为准许其并网的标准；

2）从电力市场的角度，在上述基本备用的基础上，通过市场定价机制和补偿机制促使VPP提供额外的备用容量，以满足大电网的备用需求。

在安全稳定控制三道防线中，第一道防线可进一步细分为规划建设、预防控制和继电保护；第二道防线和第三道防线分别以紧急控制和校正控制为主［11］。从规划阶段到调控阶段，VPP与三道防线间的交互关系如图5所示。

图5 VPP与三道防线间的关系Fig.5 Relationship between VPP and three defense lines

VPP在一定程度上具有比传统火电机组更好的灵活性，其规模化配置能够增强大电网的调控能力，改善扰动事故后的动态响应。在规划阶段，通过考虑大电网的薄弱环节，并将调控能力作为约束条件或多目标优化的目标之一，能够利用VPP来提供充足的可控资源。在预防控制中，VPP可以响应电力系统运行方式调整。大电网调控中心对VPP和常规电厂等可控资源进行协同决策，然后由优化调度代理接收指令并通过下层代理来调节内部资源的运行状态。

针对第二道防线，VPP内部以分布式可再生能源、储能、需求响应和不同精细化水平的切负荷等为响应速度较快的可控资源。在紧急控制触发后，VPP由紧急控制代理接收指令，并通过内部电力电子化源-荷、储能的快速响应及切负荷控制来满足所需承担的控制需求。VPP聚合空间分散的电力电子化源-荷和储能作为可控资源参与紧急控制，能够替换原本所需的切负荷/切机量，降低成本和社会影响，达到以控代切的目的。

在极端事故场景下，VPP内部的下层代理及DER终端能够基于就地动态响应轨迹的偏移来触发分散式的切机/切负荷控制，以参与第三道防线，降低发生电力系统崩溃的可能性。

4 研究展望

本文提出基于VPP实现海量可观性和可控性较低的DER与大电网间的友好交互，尝试为新型电力系统安全稳定控制机制及DER的组织形态提供一种方案。但关于VPP的研究还相对初步，在该领域内仍有相关内容亟待研究，总结如下。

1）含海量异构型DER的VPP模型构建方法。VPP模型构建是规划和调控的基础。由于聚合了海量异构型DER，VPP在时间尺度上的状态变化和空间尺度上的资源分布导致了其模型的复杂性。复杂的聚合模型能够保证VPP内部单元特征模拟的准确性，但会限制其应用于分析和决策的有效性。模型的复杂性将对参数辨识、仿真计算提出较高的要求。如何权衡海量组成单元精细化特征模拟与模型参数辨识、计算效率间的矛盾，构建VPP模型，并提出其参数辨识和高效仿真方法是亟须解决的问题。

2）VPP内部资源多时间尺度优化调控方法。VPP内部资源的调控问题涉及多个时间尺度，其优化目标、约束条件及调控对象等受电网运行状态的影响。在正常运行时，VPP内部资源调控应考虑经济性、可再生能源消纳等目标；在扰动事故发生后，VPP主动切换控制模式为电力系统安全稳定提供支撑。如何权衡VPP稳态运行经济性与暂态响应能力之间的矛盾，提出VPP内部资源多时间尺度优化调控方法，是迫切需要研究的问题之一。

3）VPP集群参与下的大电网紧急控制决策方法。可再生能源强波动、弱抗扰等特征使得大电网运行方式和暂态过程的不确定性明显，紧急控制的决策空间显著扩大且具有时变性。VPP参与场景下，VPP之间以及VPP与集中式电源、切负荷等的协调配合加剧了问题的复杂程度，导致其优化模型高维、非线性、多目标等特征突出。如何权衡VPP集群和大电网构成的高维控制决策空间与紧急控制速动性间的矛盾，提出协同的控制决策及高效求解方法，是该领域内的重要挑战。

5 结语

在双碳目标驱动下，可再生能源的快速发展已成为必然。以可再生能源为主体的能源供给导致电力系统形态发生变化，需要新的技术体系支撑。针对海量可观性和可控性较低的DER接入下大电网的安全稳定运行问题，探讨DER的组织形态和与大电网的友好交互形式，提出基于VPP的控制机制，给出功能性描述框架，并讨论了需要研究的关键技术问题，尝试启发和支撑新型电力系统构建相关理论体系的发展。在新型电力系统中，信号形态、继电保护故障形态等将发生较大变化，宽频振荡等问题与其他新兴技术体系同样值得深入探讨。