Primary Frequency Control Strategy of Distribution-level Virtual Power Plant Based on Robust Model Predictive Control

ZHUANG Zilin; DOU Xiaobo; DING Quan; DAI Ruipeng; CAO Jian; XIAO Xiaolong

doi:10.7500/AEPS20240724008

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Primary Frequency Control Strategy of Distribution-level Virtual Power Plant Based on Robust Model Predictive Control

Special Session on Virtual Power Plant with Enormous Flexible Resources | 更新时间：2026-02-28

- Primary Frequency Control Strategy of Distribution-level Virtual Power Plant Based on Robust Model Predictive Control
- Automation of Electric Power Systems Vol. 49, Issue 20, Pages: 136-148(2025)
- 作者机构：
  
  1.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096
  2.国网无锡供电公司，江苏省无锡市 214061
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Jiangsu Provincial Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality Science and Technology Innovation Special Project(BE2023093-2)
- DOI：10.7500/AEPS20240724008
  CLC：
- Received：24 July 2024，
  
  Revised：2025-01-14，
  
  Online First：07 March 2025，
  
  Published：25 October 2025
- 稿件说明：
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庄紫麟,窦晓波,丁泉等.基于鲁棒模型预测控制的配电网虚拟电厂一次频率控制策略[J].电力系统自动化,2025,49(20):136-148.

ZHUANG Zilin,DOU Xiaobo,DING Quan,et al.Primary Frequency Control Strategy of Distribution-level Virtual Power Plant Based on Robust Model Predictive Control[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(20):136-148.
庄紫麟,窦晓波,丁泉等.基于鲁棒模型预测控制的配电网虚拟电厂一次频率控制策略[J].电力系统自动化,2025,49(20):136-148. DOI： 10.7500/AEPS20240724008.

ZHUANG Zilin,DOU Xiaobo,DING Quan,et al.Primary Frequency Control Strategy of Distribution-level Virtual Power Plant Based on Robust Model Predictive Control[J].Automation of Electric Power Systems,2025,49(20):136-148. DOI： 10.7500/AEPS20240724008.

摘要

为充分发挥各类异构分布式能源(DER)的特点，并利用配电网的可调节能力提供更优的调频辅助服务，文中提出一种面向配电网虚拟电厂(DLVPP)的一次频率控制策略。首先，对跟网型和构网型异构DER进行适用于聚合控制的建模。其次，利用推导的聚合条件，结合各DER的响应时间、系统拓扑及调频容量等参数，采用自适应解聚合分配策略，将期望总特性分解到各DER。然后，基于鲁棒模型预测控制（RMPC）设计本地控制器，以提升系统在外部扰动及模型不确定性存在时的鲁棒性，同时在满足设备级瞬态约束的前提下，使各设备精确匹配本地期望特性。最后，仿真结果表明，所提策略显著改善了一次调频特性，兼顾了本地动态特性，实现了异构DER的统一聚合频率控制，为配电网参与调频辅助服务提供了有效方案。

Abstract

To fully leverage the characteristics of various types of heterogeneous distributed energy resources (DERs) and utilize the adjustable capacity of the distribution network to provide superior frequency regulation auxiliary services

this paper proposes a primary frequency control strategy of distribution-level virtual power plants (DLVPPs). First

models suitable for aggregated control are developed for grid-following and grid-forming heterogeneous DERs. Next

leveraging the derived aggregation conditions and considering factors such as the response time

system topology

and frequency regulation capacity of each DER

an adaptive disaggregation allocation strategy is employed to decompose the total expected characteristics into each DER. Then

a local controller is designed based on robust model predictive control (RMPC) to enhance the system robustness in the presence of external disturbances and model uncertainties. Meanwhile

on the premise of meeting the device-level transient constraints

each device can precisely match the local expected characteristics. Finally

simulation results demonstrate that the proposed strategy significantly improves the primary frequency regulation characteristics while considering the local dynamic characteristics

and achieves unified aggregated frequency control of heterogeneous DERs

providing an effective solution for the distribution network participating in frequency regulation auxiliary services

关键词

Keywords

references

陈维江，靳晓凌，吴鸣，等 . 双碳目标下我国配电网形态快速演进的思考［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 17 ）： 6811 - 6818 .

CHEN Weijiang ， JIN Xiaoling ， WU Ming ， et al . Thinking on the rapid evolution of distribution network form under the carbon peaking and carbon neutrality goals ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 17 ）： 6811 - 6818 .

HU Q ， HAN R ， QUAN X ， et al . Grid-forming inverter enabled virtual power plants with inertia support capability ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 5 ）： 4134 - 4143 .

许泽凯，和敬涵，刘曌，等 . 基于耦合约束解耦的虚拟电厂动态可行域求解方法［J］. 中国电机工程学报， 2024 ， 44 （ 9 ）： 3440 - 3452 .

XU Zekai ， HE Jinghan ， LIU Zhao ， et al . Solution method of virtual power plant dynamic feasible region based on decoupling of coupling constraints ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2024 ， 44 （ 9 ）： 3440 - 3452 .

张润凡，别朝红 . 主动配电网的动态虚拟微电网群分布式群级协同控制［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 14 ）： 55 - 62 .

ZHANG Runfan ， BIE Zhaohong . Distributed cluster-level cooperative control of dynamic virtual microgrid cluster for active distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 14 ）： 55 - 62 .

戴睿鹏，窦晓波，喻洁，等 . 含光储充的配网虚拟电厂二次调频随机模型预测控制策略［J］. 电网技术， 2024 ， 48 （ 8 ）： 3228 - 3237 .

DAI Ruipeng ， DOU Xiaobo ， YU Jie ， et al . Secondary frequency control strategy for photovoltaic-storage-charging distribution-level virtual power plant based on stochastic model predictive control ［J］. Power System Technology ， 2024 ， 48 （ 8 ）： 3228 - 3237 .

莫理莉，兰峻焜，周亮，等 . 虚拟电厂下灵活资源多时间尺度调频控制［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 18 ）： 76 - 86 .

MO Lili ， LAN Junkun ， ZHOU Liang ， et al . Multi-timescale frequency modulation control for flexible resources in virtual power plant ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 18 ）： 76 - 86 .

GAO H ， JIN T ， FENG C ， et al . Review of virtual powerplant operations： resource coordination and multidimensional interaction ［J］. Applied Energy ， 2024 ， 357 ： 122284 .

韩平平，陈鹏飞，丁明，等 . VSG控制下直驱风机惯量支撑能力定量分析［J］. 电网技术， 2025 ， 49 （ 2 ）： 501 - 510 .

HAN Pingping ， CHEN Pengfei ， DING Ming ， et al . Quantitative analysis of inertia support capability of direct-drive turbine under VSG control ［J］. Power System Technology ， 2025 ， 49 （ 2 ）： 501 - 510 .

DÖRFLER F ， GROß D . Control of low-inertia power systems ［J］. Annual Review of Control， Robotics， and Autonomous Systems ， 2023 ， 6 ： 415 - 445 .

MARGARIS I D ， PAPATHANASSIOU S A ， HATZIARGYRIOU ND ， et al . Frequency control in autonomous power systems with high wind power penetration ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2012 ， 3 （ 2 ）： 189 - 199 .

GUAN M . Scheduled power control and autonomous energy control of grid-connected energy storage system with virtual synchronous generator and primary frequency regulation capabilities ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 2 ）： 942 - 954 .

SU Y ， LI H ， CUI Y ， et al . An adaptive PV frequency control strategy based on real-time inertia estimation ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2020 ， 12 （ 3 ）： 2355 – 2364 .

张从越，窦晓波，盛万兴，等 . 分布式光伏集群鲁棒虚拟同步化控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 2 ）： 510 - 522 .

ZHANG Congyue ， DOU Xiaobo ， SHENG Wanxing ， et al . A robust virtual synchronization control strategy for distributed photovoltaic clusters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 2 ）： 510 - 522 .

李祥涛，陈磊，郝玲，等 . 基于两个细则的火储联合一次调频控制策略［J］. 高电压技术， 2023 ， 49 （ 10 ）： 4163 - 4171 .

LI Xiangtao ， CHEN Lei ， HAO Ling ， et al . A joint primary frequency modulation control strategy for fire storage based on two detailed rules ［J］. High Voltage Engineering ， 2023 ， 49 （ 10 ）： 4163 - 4171 .

李腾辉，李卫东，申家锴，等 . 利用转子动能的双馈风电机组一次调频能力动态估计［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 10 ）： 109 - 117 .

LI Tenghui ， LI Weidong ， SHEN Jiakai ， et al . Dynamic evaluation of primary frequency regulation capability for doubly-fed wind turbines participating in frequency regulation by controlling roter speed ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 10 ）： 109 - 117 .

蔡振华，黎灿兵，阳同光，等 . 考虑动态频率惯量特性的储能电池参与电网一次调频控制［J］. 上海交通大学学报， 2024 ， 58 （ 12 ）： 1946 - 1956 .

CAI Zhenhua ， LI Canbing ， YANG Tongguang ， et al . Participation of energy storage batteries in primary frequency control for power grid considering dynamic frequency inertia characteristics ［J］. Journal of Shanghai Jiao Tong University ， 2024 ， 58 （ 12 ）： 1946 - 1956 .

STANOJEV O ， RÜSSLI-KUEH J ， MARKOVIC U ， et al . Primary frequency control provision by distributed energy resources in active distribution networks ［C］// 2021 IEEE Madrid PowerTech ， June 28-July 2 ， 2021 ， Madrid， Spain ： 1 - 6 .

HEINS T ， JOŠEVSKI M ， GURUMURTHY S K ， et al . Centralized model predictive control for transient frequency control in islanded inverter-based microgrids ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 38 （ 3 ）： 2641 - 2652 .

PRAKASH V ， PANDZIC H . Fast frequency control service provision from active neighborhoods： opportunities and challenges ［J］. Electric Power Systems Research ， 2023 ， 217 ： 109161 .

KARAGIANNOPOULOS S ， GALLMANN J ， VAYÁ M G ， et al . Active distribution grids offering ancillary services in islanded and grid-connected mode ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 11 （ 1 ）： 623 - 633 .

YI Z ， XU Y ， GU W ， et al . A multi-time-scale economic scheduling strategy for virtual power plant based on deferrable loads aggregation and disaggregation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2019 ， 11 （ 3 ）： 1332 - 1346 .

WANG S ， WU W . Aggregate flexibility of virtual power plants with temporal coupling constraints ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 6 ）： 5043 - 5051 .

ZHENG B ， WEI W ， XU Y ， et al . Capacity aggregation and online control of clustered energy storage units ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2024 ， 15 （ 3 ）： 1546 - 1561 .

SHABANIKIA N ， KHAJEHODDIN S A . Weighted dynamic aggregation modeling of grid-following inverters to analyze renewable dg integrated microgrids ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2024 ， 71 （ 1 ）： 583 - 594 .

PURBA V ， JOHNSON B B ， RODRIGUEZ M ， et al . Reduced-order aggregate model for parallel-connected single-phase inverters ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2019 ， 34 （ 2 ）： 824 - 837 .

王锡凡，方万良，杜正春 . 现代电力系统分析［M］. 北京：科学出版社， 2003 .

WANG Xifan ， FANG Wanliang ， DU Zhengchun . Analysis of modern power system ［M］. Beijing ： Science Press ， 2003 .

RAKOVIĆ S V . Model predictive control： classical， robust， and stochastic ［J］. IEEE Control Systems Magazine ， 2016 ， 36 （ 6 ）： 102 - 105 .

SASFI A ， ZEILINGER M N ， KÖHLER J . Robust adaptive MPC using control contraction metrics ［J］. Automatica ， 2023 ， 155 ： 111169 .

KUNDUR P S . Power system stability and control ［M］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2022 .

BARAN M E ， WU F F . Optimal capacitor placement on radial distribution systems ［J］. IEEE Transactions on power Delivery ， 1989 ， 4 （ 1 ）： 725 - 734 .

CIRIO D ， CONTE F ， GABRIELE B ， et al . Fast frequency regulation from a wind farm-BESS unit by model predictive control： method and hardware-in-the-loop validation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2023 ， 14 （ 4 ）： 2049 - 2061 .

GIRONA-BADIA J ， LACERDA V A ， PRIETO-ARAUJO E ， et al . Modelling approaches of power systems considering grid-connected converters and renewable generation dynamics ［C］// 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications ， September 5-9 ， 2022 ， Hanover， Germany ： 1 - 7 .

XIN H ， LIU C ， CHEN X ， et al . How many grid-forming converters do we need： a perspective from small signal stability and power grid strength ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2025 ， 40 （ 1 ）： 623 - 635 .

ZHONG W ， TZOUNAS G ， MILANO F . Improving the power system dynamic response through a combined voltage-frequency control of distributed energy resources ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2022 ， 37 （ 6 ）： 4375 - 4384 .

李泽华，刘明波 . 主动配电系统参与日前电能量市场的聚合模型［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4345 - 4355 .

LI Zehua ， LIU Mingbo . Aggregation model for active distribution systems participating in day-ahead electricity energy market ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 11 ）： 4345 - 4355 .

GONG X ， WANG X . A novel Koopman-inspired method for the secondary control of microgrids with grid-forming and grid-following sources ［J］. Applied Energy ， 2023 ， 333 ： 120631 .

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