随着可再生能源的渗透率逐年提高,含高比例可再生能源电力系统的惯量相对缺失,使电力系统的稳定性等问题面临新的挑战。可再生能源发电系统并网变流器的虚拟同步机（virtual synchronous generator,VSG）控制技术通过模拟传统同步机的惯量和阻尼等特性,能够实现可再生能源的友好并网,是满足可再生能源广泛应用要求的重要技术支撑。本文围绕VSG在可再生能源并网应用中的关键问题,从VSG的小信号模型、特性优化控制及应用拓展等三个层面依次开展研究,以期为VSG技术的广泛应用提供理论指导和技术支撑。首先进行了VSG的全阶状态空间小信号建模研究,分析了控制参数对VSG特性的影响。然后针对VSG的动态调节自由度缺失问题和中低压线路阻感比较大引起的稳态功率耦合问题,分别进行了优化动态特性和稳态特性的控制方法研究。最后进行了参数未知条件下场站级VSG的黑箱建模研究。主要研究工作如下:（1）针对VSG的小信号建模和特性分析问题,建立了一种VSG全阶状态空间小信号模型,该模型充分考虑了电压电流内环及功率外环的动态特性,为VSG特性优化研究提供了模型基础。利用参与因子法明确了各控制环节的作用,进一步利用特征根轨迹和奇异值分解法分析了控制参数对VSG特性的影响,以期为工程应用中控制参数的设计和调试提供指导。通过仿真和实验验证了所建全阶状态空间小信号模型的有效性。（2）针对有功功率动态响应过程中调节自由度缺失问题,提出了一种基于d轴电流前馈的VSG动态特性优化控制方法,该方法利用d轴电流经微分环节前馈到有功功率控制环路,通过调节微分环节的参数改善VSG的动态特性且不影响下垂特性,同时可有效地减弱有功功率和无功功率之间的动态耦合效果,提高控制的灵活性。首先,分析了所提方法通过调节系统阻尼比改善动态特性的控制机理并给出了根据系统阻尼比需求整定微分环节参数的方法。然后建立了考虑所提方法的改进状态空间小信号模型,利用参与因子指出特征根与状态变量的关联程度,在此基础上详细分析了有功功率环控制参数、虚拟电感和微分环节参数对动态特性的影响,同时分析了微分环节参数对所有特征根的灵敏度影响。最后分析了含电流前馈控制的VSG的解耦特性和鲁棒性。通过仿真和实验验证了电网频率变化和功率设定值变化时所提控制方法的有效性。（3）针对电网中、低压线路较大阻感比引起的稳态功率耦合问题,提出了一种基于自适应无功功率补偿的稳态功率解耦控制方法,该方法利用d轴电流经补偿环节前馈到无功功率控制环路,可有效消除有功功率设定值变化引起的无功功率稳态耦合误差,提高控制的精确性。首先提出了VSG的功角和内电势的输出电流表征方法及无功功率稳态耦合误差的d轴电流表征方法。然后详细分析了补偿环节参数的求取方法,同时考虑稳态工作点变化的影响自适应补偿无功功率以提高策略的适用性。最后建立了考虑所提方法的改进状态空间小信号模型,以此为基础分析了所提控制控制方法对VSG特性的影响。通过仿真和实验验证了所提控制方法的有效性。（4）针对场站级VSG的等值建模与参数辨识问题,提出了一种基于电网扰动瞬态响应分析的VSG黑箱建模方法,该方法利用系统辨识建立能够准确反映VSG参与电网调频调压外特性的黑箱模型。所建模型可减小仿真计算量,缩短仿真时间同时节省存储空间,可提高场站级VSG的仿真效率。首先分析了黑箱输入输出的影响特性由此确定了黑箱参数采用的辨识模型,并分析了线性化模型的适用条件。然后给出了利用最小二乘法辨识黑箱参数的原理和流程。最后利用实验分别针对优化后的VSG和传统VSG建立了黑箱模型并验证了黑箱模型的有效性,进一步利用仿真探讨了场站级VSG的黑箱建模及黑箱模型的仿真速度与存储空间的优越性。