基于分数阶虚拟惯量的并联虚拟同步发电机系统有功功率与频率振荡抑制策略研究

为解决微电网中并联虚拟同步发电机系统(PVSGS)在负载扰动下出现的功率振荡和频率波动问题，研究人员提出了一种基于分数阶虚拟惯量的控制策略。通过将传统整数阶虚拟惯量替换为分数阶形式，并优化阶次参数，实现了系统动态响应的快速稳定，调节时间缩短68%，频率变化率(RoCoF)性能提升57%。该策略在保持稳态精度的同时显著提升了孤岛微电网的稳定性，为新能源并网提供了创新解决方案。

　　

随着可再生能源在电力系统中的占比不断提升，光伏、风电等分布式能源(DREs)通过微电网集成时面临惯性不足、阻尼弱化等挑战。虚拟同步发电机(VSG)技术通过模拟同步发电机(SG)的转子运动方程，为系统提供虚拟惯量和阻尼支持，但并联运行时易因参数差异引发有功功率(P_e)和频率(ω)的振荡问题。传统解决方案如增加虚拟阻尼系数(D)会恶化稳态性能，而基于通信的互阻尼控制则存在成本高、延迟敏感等缺陷。针对这一技术瓶颈，桂林理工大学广西壮族自治区教育厅先进制造与自动化技术重点实验室的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，创新性地提出分数阶虚拟惯量控制策略，为孤岛微电网的稳定运行提供了新思路。

研究采用理论建模与实验验证相结合的方法：首先建立PVSGS小信号状态空间模型，通过根轨迹法分析系统稳定性；其次利用?₂和?_∞范数筛选最优分数阶阶次λ；最终在100kVA-VSG储能微电网实验平台上验证策略有效性。关键技术包括分数阶微积分在Oustaloup递归逼近算法中的实现，以及虚拟惯量环节的分数阶算子s^λ替换传统整数阶微分。

振荡机制与稳定性分析

通过建立VSG有功闭环二阶振荡模型，揭示负载扰动下ΔP_e与Δω的动态耦合关系。当两台VSG参数比为2:1（J₁=6 kg·m², J₂=3 kg·m²）时，根轨迹显示增大D虽可抑制振荡但会导致稳态功率分配偏差（P_e1:P_e2从2:1变为1.7:1），证实传统方法的局限性。

分数阶虚拟惯量设计

将转子运动方程中的Jω₀dω/dt替换为Jω₀d^λω/dt^λ，通过λ∈(0.1,0.9)的扫参实验发现：λ=0.7时?_∞范数最小（系统抗扰能力最优），且?₂范数保持稳定，兼顾动态响应与阻尼特性。分数阶算子采用5阶Oustaloup滤波器在0.1-1000 rad/s频段实现。

实验验证

在30kW阶跃负载测试中，传统VSG（D=200/100 N·m·s/rad）出现9.4%功率超调和0.95 Hz/s的RoCoF；而分数阶VSG（λ=0.7）仅2.7%超调，调节时间缩短至0.16秒，RoCoF降至0.41 Hz/s，且保持精确的2:1功率分配。对比λ=0.8/0.9的实验组，证实λ=0.7为最优参数。

该研究突破性地将分数阶控制引入VSG领域，通过调节虚拟惯量的微分阶次而非幅值来优化系统阻尼特性，实现通信依赖度为零的振荡抑制。相比现有技术，策略使调节时间缩短68%，频率稳定性提升57%，为高比例新能源电网提供关键支撑。未来研究可扩展至多VSG群组协同控制，进一步探索分数阶控制在复杂电网拓扑中的普适性规律。