日益严重的能源危机以及环境污染问题推动了风电、光伏等新能源发电技术的发展。同时,以新能源发电和并网逆变器为基础的微网系统成为了传统电力体系的有力补充。微网的应用提升了电网对新能源的消纳能力,但是随着分布式电源渗透率的提升,转动惯量和阻尼的缺乏对系统稳定性产生了不利影响。同步发电机对维护电力系统的稳定性起到了关键作用,如何借鉴同步发电机的运行特性通过控制实现逆变器友好并网,提升微网系统的稳定性,增强电网对分布式电源的接纳能力,已经成为微网领域中具有重要价值的研究方向之一。本文主要从虚拟同步发电机并离网运行以及无缝切换控制方面展开研究。首先,分析了几种典型的技术方案,并以此为基础设计了虚拟同步发电机的具体实现方法。引入同步发电机的二阶模型,设计了有功-频率控制以及无功-电压控制策略。此外,还分析了虚拟同步发电机、同步发电机以及常规并网逆变器在发电物理过程、数学模型和参数方面的异同,进一步明确了虚拟同步发电机的概念。其次,为了解决频率恢复时间过长的问题,提出了一种参数可变的虚拟同步发电机控制策略。建立虚拟同步发电机小信号模型,分析了转动惯量和阻尼系数对有功功率和频率输出特性的影响以及欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况下的系统特性,研究了转动惯量和阻尼系数与系统输出频率变化率以及频率偏差值之间的相关性。提出一种参数协同自适应控制策略,转动惯量和阻尼系数根据系统频率状态灵活合理变化,进而改善虚拟同步发电机的频率响应特性,并给出了参数具体计算规则和整定方法。然后,针对电网电压对称暂降工况改进了虚拟同步发电机控制策略。通过理论和仿真分析了电压暂降过程中虚拟同步发电机的输出功率和电流特性,采用控制输出电压和有功功率相结合的方法有效抑制过电流,通过无功补偿控制对电网提供一定的无功支撑,有利于电网电压恢复。此外还给出了控制中关键参数的整定方法,并通过仿真验证了提出的控制方法的可行性。最后,分析了虚拟同步发电机离网工作模式下的一次调频和调压特性,并设计了适用于虚拟同步发电机的二次调频和调压方法,减小了系统的电压幅值和频率偏差。另外,为了减少并网时的瞬态电流冲击,设计了基于电压频率同步、相位同步和幅值同步的预同步控制器,实现了并离网工作模式的平滑无缝切换。通过搭建Simulink仿真模型,分析不同工况下的仿真结果,验证了电压和频率二次调节策略以及并离网无缝切换控制方法的有效性。