基于分数阶虚拟惯性的并联虚拟同步发电机系统控制策略研究：抑制微电网功率与频率振荡的新方法

针对孤岛微电网中并联虚拟同步发电机系统(PVSGS)因负荷扰动导致的功率与频率振荡问题，研究人员提出基于分数阶虚拟惯性的控制策略。通过将传统整数阶虚拟惯性替换为分数阶虚拟惯性并优化阶次选择，在保持稳态性能的同时显著提升系统动态响应速度（调节时间缩短68%），频率变化率(RoCoF)性能提升57%。该自阻尼控制策略无需通信依赖，为提升新能源高渗透率下微电网稳定性提供了创新解决方案。

　　

随着可再生能源占比持续提升，孤岛微电网因缺乏大电网支撑而面临严重的惯量缺失问题。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，为系统提供虚拟惯性和阻尼支撑，但同时也带来了与SG相似的功率-频率振荡特性。特别是在多台VSG并联运行时，参数差异导致的动态特性失配会引发显著的功率振荡，而电力电子器件较弱的过流能力可能使VSG在功率振荡中损坏。如何在不影响稳态性能的前提下有效抑制并联VSG系统(PVSGS)的功率-频率振荡，成为保障新能源微电网稳定运行的关键难题。

针对这一挑战，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》发表创新研究成果。研究人员突破传统整数阶虚拟惯性的限制，首次将分数阶微积分理论引入VSG控制领域，提出基于分数阶虚拟惯性的PVSGS控制策略。该研究通过建立分数阶PVSGS小信号状态空间模型，结合根轨迹分析和?₂/?_∞范数优化，系统解决了功率动态振荡抑制与稳态性能保持的协调控制问题。

研究采用理论建模、数值仿真与100kVA级储能微电网实验平台验证相结合的方法。首先建立传统VSG的功率闭环小信号模型，揭示PVSGS振荡机理；继而设计分数阶虚拟惯性环节替代传统整数阶惯性，通过Oustaloup递归逼近实现分数阶微分算子；最后基于根轨迹稳定性判据和范数优化理论确定最优分数阶次λ=0.7。实验验证采用两台容量比为2:1的VSG并联系统，通过突加30kW负载测试动态性能。

研究结果部分显示：振荡机理分析表明，传统PVSGS在负荷扰动下会出现持续0.5s的功率振荡（超调9.4%），最大频率变化率达-0.95Hz/s；仅增大阻尼虽可将调节时间缩短至0.28s，但会破坏功率按容量分配的比例关系（实际分配比变为1.7:1）。采用λ=0.7的分数阶虚拟惯性控制后，系统表现出三大优势：调节时间缩短68%至0.16s，功率超调仅2.7%；保持严格的2:1功率分配比例；最大RoCoF改善56.8%至-0.41Hz/s。稳定性分析证实，分数阶系统所有极点均位于复平面稳定区域，且?_∞范数优化显示λ=0.7时系统具有最佳阻尼特性。

该研究创新性地将分数阶控制引入电力电子化电力系统领域，其重要意义体现在三方面：工程应用上，提出的自阻尼控制方案摆脱了传统互阻尼策略对通信的依赖，降低了实施复杂度；理论方法上，通过增加分数阶次这一自由度，在保持系统低阶次的同时提升控制灵活性；技术指标上，首次实现功率振荡抑制、动态响应加速和稳态性能保持的三重优化。未来研究可延伸至多VSG集群组网系统(MVSGNS)，探索分数阶控制在更复杂拓扑中的协调控制规律。这项工作为高比例新能源电力系统的稳定控制提供了新思路，其方法论也可推广至电压控制、谐振抑制等其他电力电子系统控制场景。