《Sustainable Energy, Grids and Networks》：Coordinated curtailment of uncontrollable distributed energy resources in isolated power systems
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针对低惯性孤岛电网中微型分布式能源无法远程控制的难题，提出基于系统频率的协调限电方法，利用APOFRC优化框架和分布式频率响应实现无通信架构的自动限电，有效降低设备成本和网络安全风险，并通过塞浦路斯电网模型验证了方法的有效性。
菲沃斯·塞拉蓬托斯（Phivos Therapontos）|萨瓦斯·帕纳吉（Savvas Panagi）|查拉兰博斯·A·查拉兰博斯（Charalambos A Charalambous）|佩特罗斯·阿里斯蒂杜（Petros Aristidou）
塞浦路斯电力局配电系统运营商，尼科西亚，塞浦路斯
摘要
随着可再生能源（RES）在孤立、低惯性电力系统中的整合程度不断增加，维持频率稳定性面临着重大挑战。为确保运行安全，系统运营商通常会制定严格的要求，这可能需要在需求较低时期对可再生能源进行削减。虽然这些措施主要影响大规模分布式能源资源（DERs），但长期削减的情况也可能迫使许多小型、往往无法控制的DERs（UDERs）减少输出。现有的UDERs控制策略通常依赖于在每个UDER站点部署专用的控制和通信硬件，从而产生较高的资本支出和实施复杂性。本文介绍了一种新的协调削减UDERs的方法，该方法避免了使用此类补充设备的需求。所提出的方法利用系统频率作为隐式的通信渠道，利用UDER逆变器的固有有功功率-频率（P-f）响应能力。通过数据驱动的框架，根据历史运行数据优化全局有功功率-频率减少特性。随后，各个UDER以分散的方式实施这一特性，从而有效降低了与传统控制架构相关的投资成本和网络安全风险。在塞浦路斯孤立、低惯性电力系统的模型上进行动态模拟，验证了所提方法的性能和有效性。
引言
人们对环境问题的认识不断提高以及电力价格的上涨加速了全球范围内可再生能源（RES）的采用[1]。这种广泛的整合给现代电力系统带来了显著的运行挑战，例如有记录的长时间大规模停电事件影响了数千名消费者[2][3][4]。这些挑战的性质和严重程度因电力系统而异，受到网络拓扑、可再生能源渗透率以及特定负载特性等因素的影响。
孤立电力系统通常具有较低的旋转惯性，特别是在频率调节方面面临更高的稳定性问题[5]。随着传统热电厂逐渐退役和可再生能源渗透率的增加，系统惯性常常降至临界阈值以下[6]，导致频率偏差加快，不稳定风险增加[7][8][9]。图1展示了塞浦路斯电力系统的历史数据，说明了惯性降低与高比例可再生能源渗透率如何导致频率变化率（RoCoF）达到临界值。
为了将RoCoF保持在可接受的运行范围内，系统运营商采取了一系列严格措施。例如，EirGrid和SONI规定了最大非同步渗透率为75%，要求有8个同步机组，至少23,000兆瓦的惯性，以及50兆瓦的负储备[10]。同样，塞浦路斯输电系统运营商（TSOC）规定至少运行4台同步发电机，并配备25兆瓦的负储备[11]，而南澳大利亚则采取保持2台发电机在线运行的政策，并由同步电容器支持[12]。
尽管这些运行策略提高了电网稳定性，但它们往往导致可再生能源的削减。削减是指由于网络拥堵或稳定性限制而未使用的可再生能源部分[13]。当前的电网规范通常只要求对大规模分布式能源资源（DERs）进行有功功率设定点控制，而较小的安装装置由于缺乏远程控制能力，被归类为不可控制DERs（UDERs）[14]。UDERs的日益增多给孤立系统带来了日益严重的安全挑战，因为这些资源无法参与协调削减行动。因此，开发有效的UDERs管理方案对于确保低惯性电力系统的稳定性至关重要。
在塞浦路斯的孤立、低惯性电力系统中，相对于岛屿有限的负载需求，可再生能源的渗透率相当高。在消费量较低的时期，系统运营商经常对可再生能源发电进行大幅削减[11]。然而，大多数安装的光伏（PV）系统不支持远程控制，因此它们不受削减措施的影响。这一运营差距限制了UDERs的进一步整合，因为它们的持续扩张可能会引发严重的频率扰动[14]。因此，为UDERs开发可靠、安全且成本效益高的削减方法已成为塞浦路斯系统运营商的关键优先事项。
已经探索了多种管理UDERs的策略。直接与监控控制和数据采集（SCADA）系统集成可以实现精确控制，但需要在每个DER安装远程终端单元（RTU）和可靠的电信网络，导致较高的实施成本[14]。涟漪控制技术通过注入低频信号来实现控制，部署成本较低，但仅限于二进制开/关操作[15]。为了防止过度发电损失，必须对UDERs进行分组以实现协调切换。这种分组过程特别具有挑战性，因为将UDER从一个组转移到另一个组通常需要现场干预。此外，确保UDER所有者之间的公平性至关重要[11]。因此，系统运营商必须监控每个组估计的削减电量，以确保削减在各组之间的公平分配。
基于物联网（IoT）的解决方案通过支持双向通信和动态重新配置UDER组，超越了涟漪控制的限制。然而，这些系统为广泛分布的资产增加了复杂性，并面临持续的网络安全风险[16]。智能电表可以提供断开功能，但它们缺乏细粒度削减的能力，并且安装成本较高。
一个持续的挑战是逆变器制造商之间缺乏协议标准化。尽管提出了IEEE 2030等标准，但其采用仍然有限，尤其是在传统设备中[17][18]。将UDERs与储能系统（ESS）配对可以帮助缓冲多余的发电量；然而，这种方法经常受到经济限制、运营协调挑战和欧洲电力市场监管障碍的影响[19][20][21]。例如，在需求低且可再生能源渗透率高的时期，ESS单元可能在可再生能源最大输出之前就充满电。一旦饱和，ESS就无法再吸收额外的多余能量，导致所有多余的可再生能源发电量注入电网[20]。基于互联的解决方案对于孤立电网无效，在光伏过度生产的地区效果不佳[11]。
出口限制方案，如德国VDE 4105标准下的方案，对DERs实施了固定的功率输出上限。虽然简单，但这些静态限制缺乏对变化电网条件的适应性，可能导致不必要的可再生能源削减[22]。表1从成本、安全性和控制粒度方面对这些方法进行了比较分析，而图2展示了依赖通信基础设施的架构。
去中心化的基于频率的控制方案作为一种有前景的替代方案出现，消除了对通信基础设施的需求。先前的研究考察了协调负载频率响应[23]、针对频率不足事件的自适应频率-功率控制曲线[24]以及频率遏制储备策略[14]。尽管这些方法具有潜力，但它们通常需要定制的控制器设计，或者未能充分考虑与同步机组的相互作用。
根据文献回顾，目前可用的解决方案存在几个显著的限制。许多方法需要额外的设备和/或强大的电信基础设施，从而增加了实施成本并提高了网络安全风险。此外，相对低成本的解决方案通常仅提供UDERs的二进制控制（即激活或停用），可能导致参与资源之间的不公平削减分配。
本文通过引入一种新的UDERs削减策略来应对低惯性电力系统中的运营挑战，该策略利用了有功功率过频减少曲线（APOFRC）功能。主要贡献如下：
系统稳定性和削减需求评估：通过对历史频率事件和可再生能源削减的定量分析，展示了UDER渗透率增加如何影响孤立系统的频率稳定性。这一分析确立了协调和考虑能力的UDER削减机制的运营必要性。
APOFRC优化框架：提出了一种数据驱动的方法来确定最佳的APOFRC设置。该框架结合了代表性运行条件的聚类、在可信假设下的动态模拟以及粒子群优化（PSO）过程。与APOFRC相比，该框架开发了考虑可再生能源削减的定制APOFRC。
去中心化、无需通信的协调机制：引入了一种基于频率偏移的协调策略，使UDERs能够仅使用本地频率测量值自主削减其功率输出。这消除了对额外设备或集中式削减命令的依赖，从而降低了基础设施成本并减少了网络安全风险。
公平且可扩展的削减分配
使用实际系统模型进行验证
本文的结构如下：第2节介绍理论背景，第3节概述APOFRC设计方法，第4节描述测试系统，第5节讨论实施结果，第6节总结主要发现。
背景理论
本节概述了与频率动态、APOFRC、可再生能源削减和频率遏制储备（FCR）相关的概念。
提出的方法
本节概述了开发APOFRC和削减UDERs的方法。该方法分为两部分：（1）APOFRC设置的优化；（2）UDERs的协调削减。
案例研究描述
本节通过针对性的案例研究评估第3节中介绍的方法。评估分为两部分：（1）评估APOFRC的最佳设置；（2）分析UDERs的协调削减。还提供了塞浦路斯电力系统的概述，以背景化案例研究。
结果
本节展示并分析了案例研究的结果。第一部分侧重于开发优化的APOFRC，第二部分评估了提出的UDERs削减方法。
结论
随着可再生能源渗透率的增加，在低负载需求时期的削减已成为一个关键挑战，特别是在低惯性的孤立电力系统中。这些系统面临更高的运行约束，以维持稳定性，在极低需求条件下，需要削减UDERs的有功功率。然而，现有解决方案需要为每个UDER配备额外设备，并依赖于强大的通信系统，而这并不总是可行或具有成本效益的。
CRediT作者贡献声明
菲沃斯·塞拉蓬托斯（Phivos Therapontos）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。
萨瓦斯·帕纳吉（Savvas Panagi）：撰写——审阅与编辑、软件、调查、正式分析、数据整理。
查拉兰博斯·A·查拉兰博斯（Charalambos A Charalambous）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。
佩特罗斯·阿里斯蒂杜（Petros Aristidou）：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化、监督、项目。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
该项目获得了欧盟“地平线欧洲框架计划”（Horizon Europe Framework Programme，项目编号101120278-DENSE）的资助。
