Coordinated Fast Frequency Response from Electric Vehicles, Data Centers, and Battery Energy Storage Systems

📄 arXiv: 2512.14136v1 📥 PDF

作者: Xiaojie Tao, Rajit Gadh

分类: eess.SY

发布日期: 2025-12-16

💡 一句话要点

提出一种协同控制框架，聚合电动汽车、数据中心和储能系统，实现快速频率响应。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 快速频率响应 电动汽车 数据中心 电池储能系统 协同控制 电网稳定性 可再生能源 分层控制

📋 核心要点

  1. 现代电网可再生能源渗透率高，系统惯性降低，需要分布式资源提供快速频率响应，但多种资源协同潜力未被充分评估。
  2. 提出分层协同控制框架，聚合电动汽车、数据中心和储能系统，根据响应速度和容量动态分配快速频率响应。
  3. 基于IEEE 39节点系统，协同框架可显著改善频率稳定指标，验证了多资源聚合在低惯性电网中的价值。

📝 摘要（中文）

现代电网中高比例的可再生能源接入显著降低了系统惯性，增加了对来自分布式和非传统资源的快速频率响应（FFR）的需求。虽然电动汽车（EV）、数据中心和电池储能系统（BESS）都已展示出提供亚秒级有功功率支持的能力，但它们组合的频率响应潜力尚未得到系统评估。本文提出了一种协同控制框架，该框架聚合这些异构资源以提供快速、稳定和可靠的FFR。开发了电动汽车车队、数据中心UPS和工作负载调制以及BESS的动态模型，明确捕捉了它们的响应时间、功率限制和运行约束。引入了一种分层控制架构，其中上层协调器根据响应速度和可用容量在资源之间动态分配FFR，而下层控制器实现实际的功率响应。基于IEEE 39节点测试系统的案例研究表明，与单资源FFR相比，协同的EV-DC-BESS框架可将频率最低点提高高达0.2 Hz，降低RoCoF，并加速频率恢复。结果证实，协同协调显著增强了电网稳定性，尤其是在低惯性场景中。这项工作突出了多资源聚合对于可再生能源主导电网中未来频率调节市场的价值。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决高比例可再生能源接入导致电网惯性降低，频率稳定性面临挑战的问题。现有方法主要依赖单一资源提供快速频率响应，未能充分利用电动汽车、数据中心和储能系统等多种分布式资源的协同潜力，导致响应速度慢、稳定性差，且资源利用率不高。

核心思路：论文的核心思路是通过协同控制，将电动汽车、数据中心和储能系统等异构资源聚合起来，形成一个统一的快速频率响应资源池。通过动态分配和协调控制，充分发挥各种资源的优势，提高整体响应速度、稳定性和可靠性。这种协同方法旨在克服单一资源响应的局限性，实现更高效的频率调节。

技术框架：论文提出了一种分层控制架构。上层协调器负责根据电网频率偏差、资源可用容量和响应速度等因素，动态地将快速频率响应需求分配给不同的资源。下层控制器则负责根据上层协调器的指令，控制电动汽车、数据中心和储能系统等资源提供相应的有功功率支持。该框架还包括资源建模模块，用于建立电动汽车车队、数据中心UPS和工作负载调制以及BESS的动态模型，以便更好地预测和控制它们的响应行为。

关键创新：论文的关键创新在于提出了一个协同控制框架，能够将多种异构分布式资源聚合起来，共同提供快速频率响应。与传统的单一资源响应方法相比，该框架能够更有效地利用各种资源的优势，提高整体响应性能和电网稳定性。此外，论文还开发了针对电动汽车、数据中心和储能系统的动态模型，能够更准确地描述它们的响应特性和约束条件。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 上层协调器的优化算法，用于动态分配快速频率响应需求；2) 下层控制器的控制策略，用于实现精确的功率输出；3) 电动汽车、数据中心和储能系统的动态模型，用于预测和优化它们的响应行为。具体的参数设置和控制策略需要根据实际的电网运行条件和资源特性进行调整和优化。

📊 实验亮点

实验结果表明，与单资源快速频率响应相比，协同的EV-DC-BESS框架可将频率最低点提高高达0.2 Hz，降低RoCoF，并加速频率恢复。在低惯性场景下，协同控制能够显著增强电网的稳定性，验证了多资源聚合的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于未来高比例可再生能源接入的智能电网中，通过聚合电动汽车、数据中心和储能系统等分布式资源，提高电网的频率稳定性，降低对传统发电机的依赖。该技术有助于促进可再生能源的消纳，并为电力市场提供新的频率调节服务。

📄 摘要（原文）

High renewable penetration has significantly reduced system inertia in modern power grids, increasing the need for fast frequency response (FFR) from distributed and non-traditional resources. While electric vehicles (EVs), data centers, and battery energy storage systems (BESS) have each demonstrated the capability to provide sub-second active power support, their combined frequency response potential has not been systematically evaluated. This paper proposes a coordinated control framework that aggregates these heterogeneous resources to provide fast, stable, and reliable FFR. Dynamic models for EV fleets, data center UPS and workload modulation, and BESS are developed, explicitly capturing their response times, power limits, and operational constraints. A hierarchical control architecture is introduced, where an upper-level coordinator dynamically allocates FFR among resources based on response speed and available capacity, and lower-level controllers implement the actual power response. Case studies based on the IEEE 39-bus test system demonstrate that the coordinated EV-DC-BESS framework improves frequency nadir by up to 0.2 Hz, reduces RoCoF, and accelerates frequency recovery compared with single-resource FFR. Results confirm that synergistic coordination significantly enhances grid stability, especially in low-inertia scenarios. This work highlights the value of multi-resource aggregation for future frequency regulation markets in renewable-dominated grids.