在集中式发电中,电能主要由大型同步发电机（SG）产生。在具有大型SG的电力系统中,频率由SG的旋转频率决定,而旋转频率取决于原动机的功率。在发生故障或扰动时,存储在大型转子和相关设备中的动能会注入电力系统以维持能量平衡。此外,旋转部件的惯性可以防止频率突变并增强电力系统的稳定性。分布式发电增加了并网逆变器电源的数量。若经逆变器并网的发电单元能够获得类似同步发电机的控制与运行特性,可以解决包括频率调节、孤岛运行和并联运行在内的分布式发电（DG）和微电网的大部分问题。虚拟同步发电机是一种利用SG模型来模拟SG的动态特性的逆变器控制策略,并赋予了具体的虚拟惯量值。VSG控制策略能在保留逆变器原始特征的基础上模拟SG来增强系统频率稳定性。本文第一章讨论了可再生能源发电及VSG的结构、控制与运行机理。第二章重点介绍现有的VSG拓扑及其工作原理。同时,详细讨论了VSG在光伏、风电、电动汽车、AC/DC输电线路和储能系统等不同系统中的应用。第三章讨论了微电网思想、VSG在微电网中的作用以及基于VSG的电力系统稳定性,包括小信号稳定性和暂态稳定性。随着虚拟惯量概念应用于变流器,VSG控制策略受到了研究人员的广泛关注。但是,在含由VSG控制的DG的低惯性微电网中保持暂态的功角稳定性仍然是一项严峻的挑战。根据等面积法理论可知,加速和减速区域在保持电力系统稳定中起到重要作用。因此,第四章提出了一种基于等面积法的控制策略,通过一个附加功率环,使VSG调速器单元具备附加惯性。附加惯性项将传统VSG和SG调速器单元之间的差异最小化。而附加功率环仅在系统遇到重大故障时才在瞬态过程中提供额外功率。此外,附加惯性能最小化改进型VSG的收敛时间和动态特性,并提供频率支持和附加功率,这有助于缩短加速区域并扩大减速区域,从而改善瞬态稳定性。此外,对单机和双机并入电力系统的仿真分析表明,当电力系统遇到重大故障时,所提出的控制技术可以有效提升基于VSG的电力系统的稳定性。多VSG并网的电力系统对暂态稳定性提出了新的技术挑战。因此,第五章讨论了多VSG并网的暂态稳定性问题,并提出了一种改进VSG控制策略以改善独立电网的稳定性。所提出的控制策略基于系统的惯性中心（COI）响应概念。由于VSG之间的功率摆动,互连VSG在电网中只有一个频率,而显著的扰动可以用COI频率表示。所提策略通过控制VSG的输入功率来实现基于COI频率的VSG功率变化与振荡的最小化。暂态稳定性是电力系统中的关键问题,有必要对VSG接入对电力系统暂态稳定性的影响展开分析与评估。因此,第六章采用COI概念来分析评估由改进的调速器和改进输入功率组成的VSG的并网效果。VSG并网的影响分为SG连接部分和COI关联部分。基于VSG并网系统,详细研究了影响SG的COI动态特性和转子动力学的重要因素。最后,考虑了VSG不同并网位置和不同容量的多种场景来评估所提方法的有效性。研究表明,不同并网位置的改进型VSG抑制了系统的不规则功率分布,从而最大程度地降低了对与COI有关的各SG的转子速度和相角的影响。因此,改进型VSG无需去除任何SG就可以并入电力系统中,COI的加速功率是影响COI动态过程的唯一因素,并且通过适当的参数调整,可以提高系统稳定性。此外,当SG替换为经过改进型VSG时,电力系统将从参考状态经历一个平稳的过渡阶段。通过这种做法,COI的瞬态动力学会受到影响,并且与参考算例相比,其余SG的波动相对较小。第七章对本文进行总结。