随着越来越多的分布式发电系统并网运行,传统并网逆变器控制策略下电网的稳定性问题面临着极大的挑战。虚拟同步机技术的出现使得逆变器能够模拟同步发电机运行,增强分布式发电系统与电网的兼容性,有利于提升可再生能源在电网中的渗透率。同时,随着应用场合容量的增大,单台并网逆变器逐渐难以满足系统容量要求,因此对于虚拟同步机控制策略以及多台虚拟同步机并联运行的功率分配研究具有重要的工程应用价值。本文聚焦于虚拟同步机的有功功率环,从增强系统的抗扰性能和关键参数的设计依据两个方面,优化了有功功率环的控制策略;并就优化后的控制策略,提出了虚拟同步机并联运行时调频系数、转动惯量和线路阻抗与其容量间的匹配方法,达到了分配过程中功率无超调,且快速完成功率分配的效果,同时保证功率分配结果与容量比成正比;搭建了实验平台,对优化后的虚拟同步机孤岛运行、并网运行以及与下垂控制的比较等工况进行了测试。本文从并网逆变器的典型控制策略及其研究热点出发展开论述,从控制结构和控制参数的设计依据两个角度,说明了在单台虚拟同步机的参数设计和多台虚拟同步机并联运行参数以及线路阻抗与容量的匹配方法的两个方面的研究尚需完善。围绕以上两方面的问题,本文首先建立同步发电机的经典二阶模型,分析其工作原理和调压调频特性,类比了同步发电机和并网逆变器的等效性,进而建立虚拟同步机模型。详细分析了功率外环的控制原理,设计了电压电流内环的控制参数。搭建虚拟同步机的仿真模型,对其孤岛和并网运行进行了仿真分析。其次,针对两种阻尼表达形式,利用伯德图进行比较,选取了使系统具有更好抗扰性能的阻尼表达形式,同时提出了阻尼系数和调频系数的等效性,进而优化了有功功率环的控制框图。以优化的控制框图为基础,建立虚拟同步机的小信号模型。在孤岛模式下,分析了调频系数和转动惯量对系统频率响应的影响,并结合电网的标准,提出了调频系数和转动惯量的设计依据和方法。在并网模式下,结合传递函数的根轨迹,分析了调频系数和转动惯量对系统功率响应的影响。另外还建立了传统下垂控制中有功功率环的小信号模型,并将其与优化后的虚拟同步机控制策略进行了比较。然后,基于优化后的控制策略,针对多台虚拟同步机并联组网运行的情况,分析了关键参数和线路阻抗对功率分配的影响,并特别分析了有功功率分配过程中系统的动态性能。为了实现按容量合理分配有功功率和无功功率,提出了各个关键参数和线路阻抗的匹配方法。通过搭建仿真模型,分析功率分配的波形图,证明了本文所提匹配方法的正确性。最后,搭建三相并网逆变器实验平台,对单台虚拟同步机的运行性能进行了实验验证,并对下垂控制与虚拟同步机控制进行了对比实验。实验中,首先分别进行了虚拟同步机空载并网、并网切换孤岛模式以及孤岛带载运行等工况的测试,结果表明优化后的虚拟同步机在上述工况下都能良好运行,抗扰性好。此外,针对负载突变引起的频率波动变化,将虚拟同步机与下垂控制进行了对比实验测试,验证了转动惯量对虚拟同步机性能的影响,对比结果验证了分析和仿真的正确性。