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：抑制微电网功率振荡与频率波动的新方法

针对孤岛微电网中并联虚拟同步发电机系统(PVSGS)存在的有功功率和频率振荡问题，研究人员创新性地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，实现了对系统振荡的有效抑制，同时保持稳态性能不变。实验表明该策略使调节时间缩短68%，频率变化率(RoCoF)性能提升57%，为提升微电网稳定性提供了新思路。

　　

随着传统化石能源的枯竭和环境污染加剧，光伏、风能等可再生能源的重要性日益凸显。微电网概念的提出为整合多种分布式能源(DREs)提供了解决方案。然而，当以电力电子接口为主的孤岛微电网缺乏大电网支撑时，其低惯性和弱阻尼特性愈发突出，面临着严重的电压和频率失稳风险。虚拟同步发电机(VSG)技术通过模拟同步发电机(SG)的特性，为逆变器提供惯性和阻尼支持，成为解决这一问题的关键技术。但当多个VSG并联运行时，负载扰动会导致有功功率和频率振荡，由于电力半导体器件过流能力弱，可能造成VSG损坏。

针对这一挑战，桂林理工大学（Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Automation Technology Education Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region）的研究人员开展了一项创新研究。他们提出了一种基于分数阶虚拟惯性的并联VSG系统(PVSGS)控制策略，相关成果发表在《Results in Engineering》上。该研究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，有效抑制了系统振荡，同时不影响稳态性能。实验证明该策略可使调节时间缩短68%，频率变化率(RoCoF)性能提升57%，为提升微电网稳定性提供了重要解决方案。

研究人员主要采用了三项关键技术方法：首先建立了PVSGS的小信号状态空间模型，通过根轨迹分析法验证系统稳定性；其次采用?₂和?_∞范数优化选择分数阶虚拟惯性阶次；最后在由两个100kVA-VSG组成的储能微电网系统上进行实验验证。

在振荡机理与稳定性分析方面，研究揭示了传统VSG并网及并联VSG系统中主要参数对稳定性的影响。通过建立传统VSG的有功功率闭环小信号模型，发现系统为二阶振荡系统，扰动易导致动态振荡和功率超调。对于并联VSG系统，研究发现参数设计差异会导致系统小扰动时产生振荡，而适度增加虚拟阻尼系数D和减小惯性系数J可增强系统阻尼。

在提出的分数阶虚拟惯性PVSGS控制策略部分，研究详细阐述了分数阶虚拟惯性的设计与实现方法，采用Oustaloup递归近似生成滤波器。通过建立分数阶PVSGS的小信号状态空间模型，证明了系统稳定性。研究还发现随着分数阶阶次λ变化，?₂范数几乎不变，而?_∞范数先增后减，表明系统阻尼先减后增。最终选择λ=0.7作为最优阶次，在保证动态响应性能的同时平衡频率波动。

实验验证部分展示了三种控制策略的对比结果。传统并联VSG策略（D₁=200N·m·s/rad，D₂=100N·m·s/rad）虽能按容量比例分配有功功率，但存在明显振荡，调节时间达0.5s，超调9.4%，最大RoCoF为-0.95Hz/s。仅增加阻尼的策略（D₁=D₂=300N·m·s/rad）虽抑制了振荡，但导致有功分配比例变为1.7:1，偏离设计目标。而提出的分数阶策略（λ=0.7）则完美解决了这一矛盾：既消除了振荡，保持2:1的有功分配比例，又将调节时间缩短至0.16s，最大RoCoF降至-0.41Hz/s，性能显著提升。

这项研究的重要意义在于：首先，提出的分数阶虚拟惯性策略属于自阻尼控制策略，相比互阻尼策略不依赖通信，降低了工程实现成本；其次，与传统自阻尼策略相比，降低了PVSGS的控制阶数，增加了控制自由度；最重要的是，该策略在不引起系统稳态偏差的前提下，有效抑制了PVSGS的有功功率和频率振荡，显著提升了系统稳定性。研究也存在一定局限性，如分数阶控制硬件实现较整数阶策略复杂，且最优阶次选择精度有待提高。未来研究可探索该方法在多VSG组网系统(MVSGNS)中的应用，以应对更复杂的功率频率交互问题。