随着全球能源结构的变化,新能源发电比例逐年提高,但是,新能源发电渗透率较高的电力系统面临稳定性挑战。为了解决这一问题,虚拟同步机应运而生。虚拟同步机具有友好并网的特点,可实现分布式能源的自主运行,是满足新能源、分布式能源广泛接入要求的重要技术支撑,应用前景广阔。然而,虚拟同步机在继承传统同步机机电暂态特性的同时,也继承了其振荡特性,参数选取不当极易造成功率振荡。目前,虚拟同步机的暂态特性研究面临诸多问题。一方面,虚拟同步机具有复杂多参数特点,暂态过程的作用机理尚未规范量化,这在一定程度上阻碍了虚拟同步机的规模化推广。另一方面,作为电力电子变换器,虚拟同步机承受过载的能力有限,功率振荡使其不能安全、稳定、高效运行,易造成巨大经济损失。本文紧密围绕未来电网应用中虚拟同步机的关键暂态特性,从暂态特性建模分析出发,揭示量化规范的作用机理,建立理论基础。然后,针对虚拟同步机鲁棒性、惯性、阻尼三个维度,分别提出优化方法改善暂态特性,提高虚拟同步机的参数适应性、频率稳定性、控制灵活性。主要研究工作如下:(1)针对虚拟同步机暂态响应的量化描述问题,提出功率环时间常数的概念,建立面向暂态特性的虚拟同步机参数体系,揭示虚拟同步机暂态过程机理。虚拟同步机暂态响应由多个参数共同决定,为优化其暂态特性,首先需要针对暂态特性进行建模和分析,理解其作用机理。但是,目前尚无专门针对暂态特性的虚拟同步机建模分析。本文从虚拟同步机的同步电抗出发,基于虚拟同步机的线性化模型,提出功率环时间常数的概念,揭示同步电抗对于功率环响应速度的影响。在此基础上,建立面向暂态特性的虚拟同步机参数体系,研究同步电抗、功率环时间常数与虚拟同步机暂态特性的关系,将复杂的虚拟同步机暂态响应机理归纳于同步电抗与控制参数的交互作用,建立面向暂态特性的数学模型,揭示量化规范的作用机理。最后,采用时域仿真验证建模和分析结果的正确性。(2)针对暂态响应主导参数摄动易引发暂态冲击的问题,提出基于前馈支路的虚拟同步机鲁棒性优化方法。虽然虚拟同步机控制策略在频率稳定性方面优于传统下垂控制,但是更容易出现暂态振荡,参数适应性较低,其中,功率计算环节和同步电抗对于暂态响应起主导作用,二者的参数摄动易引发暂态冲击。为此,本文提出基于前馈支路的虚拟同步机鲁棒性优化方法。首先,揭示平均功率计算环节的功能,阐述其与同步电抗对暂态过程的影响;其次,提出并研究基于前馈支路的虚拟同步机鲁棒性优化方法,揭示其通过降低控制系统阶次提升鲁棒性的本质,对比该鲁棒性优化虚拟同步机与传统虚拟同步机,分析二者的暂态性能差异;最后,仿真和实验证明采用前馈支路提高虚拟同步机鲁棒性的有效性。利用该方法,虚拟同步机在平均功率计算环节带宽和同步电抗摄动下,仍然保持较高的相对稳定性,暂态过程平滑无冲击,使虚拟同步机的更具参数适应性。(3)针对负载突变以及故障情况下的频率稳定性问题,提出基于保持滤波器的虚拟同步机惯性优化方法。负载突变和故障情况下,现有虚拟同步机的频率响应受限于一阶惯性环节的暂态特性,在响应的初始阶段,仍然具有较高的频率变化率,故而相同时间内频率偏移范围较大。为此,本文提出基于保持滤波器的惯性优化方法。首先研究揭示保持滤波器的惯性,进而提出并研究基于保持滤波器的惯性优化方法。惯性优化后的虚拟同步机在负载功率突变时,具有线性的频率响应过程,因而在响应初始阶段,频率变化率更低,从而进一步降低频率偏移范围,提供更加稳定的频率支撑。最后,仿真和实验证明,该惯性优化方法可有效提高频率支撑能力。(4)针对需要牺牲惯性才能阻尼功率振荡的问题,提出基于虚拟同步电抗的虚拟同步机阻尼优化方法。目前对于虚拟同步机阻尼特性的优化研究多以牺牲惯性为代价,无法在兼顾惯性支撑的同时,灵活阻尼功率振荡,尚缺乏独立调节阻尼的自由度。为此,本文提出基于虚拟同步电抗的阻尼优化方法。首先,研究虚拟同步机阻尼的来源,揭示阻尼在暂态响应中的表现。其次,研究虚拟同步机惯性和阻尼整定的内在联系,揭示虚拟同步机阻尼调节自由度缺失的问题。再次,提出并研究基于虚拟同步电抗的阻尼优化方法,揭示同步电抗对阻尼的影响,引入虚拟阻尼环节以改变同步电抗,进而实现阻尼重构。最后,采用仿真和实验进行了有效性验证,基于虚拟同步电抗的阻尼优化方法,可以在不影响惯性的前提下重构阻尼,灵活阻尼功率振荡,使虚拟同步机的控制更具灵活性。综上所述,本文的研究致力于虚拟同步机暂态特性的系统分析,进而提出灵活深入的优化方法。研究并建立一套面向虚拟同步机暂态特性的建模和分析方法,在此基础上,提高虚拟同步机参数适应性、频率稳定性、控制灵活性。同时,利用研发的虚拟同步机实验样机,对所提暂态特性优化方法进行实验测试,以期为虚拟同步机技术的更广泛应用提供理论指导与技术支撑。