用于负载和可再生扰动下直流微电网直流母线电压调节的储能支持分数阶虚拟同步发电机

在可再生能源时代保持电网稳定

随着家庭、办公场所和电动汽车接入越来越多的太阳能电池板和风力发电机，我们的电网变得更清洁，但也更脆弱。当云层掠过太阳能场或风速突然下降时，本地电力网络的电压可能会波动，损坏电子设备或甚至触发停电。本文探讨了一种用于小型直流（DC）电力网络——即直流微电网——稳定电压的新方法，通过让电池系统表现得像传统的大型旋转发电机，但更加智能和灵活。

为什么小型直流电网需要额外的帮助

直流微电网是将屋顶太阳能电池板、小型风力机、电池和诸如LED照明、电子设备与充电器等本地直流负载连接在一起的紧凑网络。由于避免了一些变换损耗，它们可以非常高效。但与传统发电厂不同，太阳能和风能是通过轻量级电力电子设备接入的，而不是大型旋转机械。这意味着它们几乎不提供物理“惯量”——那种在负荷或发电突然变化时能稳定电压和频率的缓冲作用。在孤立或弱连接的微电网中，即便是适度的日照、风速或负荷波动，也会在中心直流母线上引起剧烈电压冲击，威胁敏感设备并迫使运行者对设备进行过度配置。

从虚拟机“借”来稳定性

为补偿这种缺失的惯量，工程师们开发了虚拟同步发电机（VSG）。这些是嵌入在电力变换器内的巧妙控制程序，模拟传统旋转发电机对扰动的响应，通过软件引入虚拟惯量和阻尼。早期研究表明，VSG可以让直流母线电压表现得更平稳，但大多数设计依赖于简单的整数阶微分——实质上是对电压信号做硬性的“斜率”计算。这种方法容易放大高频噪声，并且在调整系统收敛速度或过冲量方面自由度有限。

更智能、有记忆的控制策略

本研究提出了一种更细致的控制器，称为分数阶虚拟同步发电机（FOVSG）。它不是使用标准微分算子，而是使用分数阶算子——一种带有记忆特性的数学工具，融合了直流母线电压的当前与过去值。在实际应用中，这使工程师不仅能调整控制器的响应强度，还能调整该响应如何在时间和频率上展开，从而在不变得迟缓的情况下平滑尖锐的波动。FOVSG被集成到电池的双向变换器中，该变换器本就负责在直流母线与电池之间平衡能量。一级控制层在并联变换器间分配功率，二级控制层将直流电压恢复到目标水平。两者配合，使电池像整个微电网的可调阻尼飞轮。

让优化找到最佳配置

由于FOVSG比传统控制器拥有更多可调参数——涵盖虚拟惯量、阻尼以及分数阶本身——作者采用了一种称为灰狼优化器的元启发式搜索方法来选择最佳参数集。该算法在模拟扰动场景中迭代搜索，使实际与期望直流母线电压的平方差最小化。该控制器在包含太阳能、风能、电池储能系统和真实电子变换器的15千瓦直流微电网详细计算模型中进行了测试。研究考察了三种情形：在可再生出力稳定时的突发负荷变化、在负荷恒定时的可再生波动，以及两者同时变化的情况。

更平稳的电压、更温和的电池使用

在所有情形中，分数阶方法明显优于简单的双环控制器和传统VSG。新方法在某些测试中将直流母线电压尖峰降低了最多80%，并且持续消除了传统VSG留下的稳态电压偏差。同时，电池的荷电状态漂移更小，表明系统并未以过度损耗电池为代价换取稳定性。电压扰动更小、收敛更快、振铃更弱，即使在负荷与可再生出力同时波动时亦是如此。通俗地说，FOVSG使直流母线的表现如同由更智能、更可调的旋转发电机支持，但完全由软件实现。

这对未来电力系统意味着什么

对非专业读者来说，关键讯息是：清洁能源不必意味着脆弱的电网。通过将电池储能与先进的、具备记忆性的控制律相结合，工程师可以构建能够应对日常日照、风力和负荷起伏并保持电压几乎恒定的直流微电网。所提出的分数阶虚拟同步发电机是迈向这种具有韧性且以可再生能源为主导的本地电网的一步，展望未来的社区和园区，在那里稳定、高质量的电力将由安静的电子设备而非庞大的旋转机器提供。

引用: Bakeer, A., Hussain, S., Chub, A. et al. Energy storage-enabled fractional-order virtual synchronous generator for DC-link voltage regulation in DC microgrid under load and renewable disturbances. Sci Rep 16, 12355 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45850-1

关键词: 直流微电网, 虚拟同步发电机, 分数阶控制, 电池储能, 可再生能源接入