虚拟电厂的物理原理探索：设备、控制器设计以及电网的作用

《IEEE Power and Energy Magazine》：Navigating the Physics of Virtual Power Plants: The Role of Devices, Controller Design, and the Grid

虚拟电厂通过聚合分布式能源资源实现电网服务优化，其物理约束与协调策略设计直接影响灵活性提升效果。研究对比了自上而下广播与自下而上设备驱动的协调模式，指出需融合设备特性、服务质量与实时电网条件。通过1万只恒温器、200+热水器及60辆电动汽车的实证，验证了混合架构在动态响应与约束管理中的优势，提出基于 cyber-physical systems 的系统设计框架。

　　

摘要：

虚拟电厂（VPP）是一种新兴策略，用于协调分布式能源资源（DERs），包括电池、电动汽车和灵活负载，以在各种时间尺度上提供宝贵的电网服务。然而，VPP所能提供的灵活性从根本上受到设备级物理特性、协调方案设计和电网基础设施限制的制约。本文探讨了这些限制如何影响VPP的可用灵活性，并强调了将设备行为、服务质量（QoS）要求和实时电网条件整合到VPP设计中的重要性。我们研究了两种主要的协调方式——自上而下的广播式协调和自下而上的设备驱动式协调——比较了它们在管理服务质量、快速响应以及遵守电网限制方面的能力。通过涉及10,000个恒温器、200多个热水器和60辆受控电动汽车的案例研究，我们展示了实际应用和运营中的权衡。为了充分发挥VPP的潜力，我们主张采用一种网络物理系统方法，该方法嵌入了电网感知的协调机制和设备级智能，从而实现更加灵活和可靠的电力系统。

虚拟电厂（VPP）整合了分布式能源资源（DERs），如电池、屋顶太阳能、电动汽车（EV）和灵活负载，以在不同的时间尺度上提供宝贵的电网服务。这些服务包括减少峰值负荷、频率调节、能源套利和电压支持，所有这些都有助于提高系统韧性、整合可再生能源，并以成本效益的方式提升现有基础设施的利用率。本文讨论了支撑VPP运行的基本物理原理，强调了设备和电网的物理特性以及网络物理系统架构决策如何决定VPP的能力。理解这些物理基础是大规模设计VPP的关键，使其能够充分发挥潜力，支持一个可靠、灵活且低碳的电网。