基于分数阶虚拟惯量的并联虚拟同步发电机系统控制策略及其在孤岛微电网中的应用

推荐：针对孤岛微电网中并联虚拟同步发电机系统(PVSGS)因负载扰动导致的功率与频率振荡问题，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数，显著抑制了系统振荡，同时避免了稳态误差。实验表明，该方法使调节时间缩短68%，频率变化率(RoCoF)性能提升57%，为提升微电网稳定性提供了创新解决方案。

　　

随着可再生能源占比的持续提升，孤岛微电网因缺乏大电网支撑而面临惯量低、阻尼弱等挑战。虚拟同步发电机(VSG)通过模拟同步发电机(SG)特性为系统提供惯量支持，但并联VSG系统(PVSGS)在负载扰动时易引发功率和频率振荡，严重时会导致设备过载损坏。传统解决方案如互阻尼控制依赖通信且成本高，而自阻尼控制存在参数设计复杂、稳态误差等问题，亟需突破性控制策略。

针对这一难题，桂林理工大学（Guilin University of Technology）先进制造与自动化技术教育部重点实验室的研究团队在《Results in Engineering》发表创新成果。该研究首次将分数阶理论引入VSG控制领域，提出基于分数阶虚拟惯量的PVSGS控制策略。通过建立小信号状态空间模型和根轨迹分析，证实分数阶虚拟惯量在0.7阶数时能同时优化系统动态响应与稳态性能。

研究采用三项关键技术：(1)建立PVSGS的分数阶状态空间模型；(2)基于?₂和?_∞范数选取最优分数阶；(3)在100kVA-VSG储能微电网平台上进行实验验证。

【振荡机理与稳定性分析】

通过建立VSG有功闭环模型，揭示功率振荡源于二阶系统特性。根轨迹分析表明：增大虚拟阻尼系数D虽可抑制振荡，但会导致有功分配偏差；而分数阶虚拟惯量可突破传统参数耦合限制。

【分数阶虚拟惯量设计】

采用Oustaloup递归逼近法实现分数阶微分算子，在0.1-1000rad/s频段内完成拟合。稳定性分析证实，当λ=0.7时系统极点全部位于稳定区域，且?_∞范数最小。

【实验验证】

在双VSG并联系统中，传统控制策略在30kW负载阶跃时出现9.4%功率超调，调节时间达0.5s；而分数阶方案将超调降至2.7%，调节时间缩短至0.16s，RoCoF改善56.8%，且完美保持2:1的有功分配比例。

该研究开创性地将分数阶控制应用于VSG领域，实现了振荡抑制与功率分配的协同优化。相比现有技术，提出的自阻尼策略无需通信网络，显著降低了工程实施复杂度。研究成果为高比例新能源接入下的微电网稳定运行提供了全新思路，对推动能源转型具有重要实践价值。未来可进一步探索该方法在多VSG组网系统(MVSGNS)中的扩展应用。