虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator,VSG）技术在各种分布式发电单元、风光储一体化交直流微电网中具有广泛的应用前景。为满足系统频率稳定性需加入足够的虚拟惯量以遵守最大频率变化率（rate of change of frequency,ROCOF）的约束。然而虚拟惯量的增大会恶化VSG并网时有功环的暂态特性,目前解决方案有引入阻尼矫正环节、采用交变虚拟惯量、增大虚拟阻抗以及通用下垂控制等,但这些方法存在牺牲频率稳定性、复杂非线性控制、参数设计繁琐以及增大输出电压谐波等缺陷,且研究过程仅针对单机展开。因此有必要研究保持频率稳定性不变,非线性带载能力强以及参数设计简单的暂态特性提升新策略,并将其推广应用到多机暂态环流的抑制中。论文针对现有不足,分别提出了两种基于改进虚拟惯量、扩展虚拟阻抗的VSG新策略,用于改善单机有功暂态特性。随后首次推导出VSG多机并联系统的完整数学模型与PCC母线等效惯量表达式,验证新策略对多机系统有功暂态环流的改善效果以及PCC母线的频率稳定性。除了第五章多机并联系统为仿真验证外,其他章节的理论推导都有对应的实验验证。论文主要研究内容包括:（1）针对VSG单机有功环暂态特性以及参数设计困难的问题展开研究。首先,结合功率潮流方程,建立计及虚拟惯量与励磁调节器的VSG精确数学模型。其次,基于频率、电压稳定性及同步频率谐振等约束条件,提出VSG功率环参数的设计方法。最后,对单机孤岛、单机并网与并联微电网三种场景的暂态特性展开理论分析,并以实验验证理论分析的有效性。（2）针对现有VSG单机并网暂态特性改善中参数设计繁琐的问题,提出了参数可正向设计的VSG改进虚拟惯量新策略,该方法虽与通用下垂控制有内在等效性,却极大降低参数设计繁琐度。首先,基于传统VSG系统伯德图特性,提出有功环相位裕度改进的依据及约束条件。其次,给出两种基于虚拟惯量的改进策略,能为环路增益新增一对零极点从而提高设计自由度,并基于改进系统的数学模型给出了参数正向设计方法。最后,通过对比实验验证其对VSG有功暂态特性改善的有效性。（3）为提高VSG的抵抗微电网频率扰动能力,提出一种基于扩展虚拟阻抗的VSG单机有功暂态特性改善新策略。与传统虚拟阻抗改善VSG暂态特性策略不同,加入频率特性后的扩展虚拟阻抗对谐波电流适应能力远高于传统虚拟阻抗。且相同稳态虚拟阻抗时,扩展虚拟阻抗对有功超调的抑制效果更佳。首先,分析传统虚拟阻抗的局限性,提出扩展虚拟阻抗的实现原理及参数设计方法。其次,为避免工频等效阻抗增大对无功环下垂特性的影响以及线路压降引起的PCC母线电压误差,提出基于VSG系统的无功稳态误差补偿策略和母线电压估算器。最后,通过对比实验验证了改善VSG暂态特性中扩展虚拟阻抗较传统虚拟阻抗的优势,以及其改善微电网频率扰动暂态特性的效果。（4）针对现有VSG多机并联状态空间模型存在无法有效分析系统时域暂态环流、扰动变量考虑不足、对母线频率稳定性缺少定量分析以及难以真正扩展到三机及以上系统等问题,首次提出VSG多机并联的PCC母线等效虚拟惯量表达式以及考虑系统全扰动变量且可时域暂态特性分析的多机完整数学模型,并验证两种VSG单机改进策略对阻抗不匹配下多机系统暂态环流的抑制效果。首先,推导多机系统PCC等效虚拟惯量的表达式,提出VSG多机参数匹配的约束条件。其次,基于新提出的VSG多机并联系统数学模型,对比分析阻抗不匹配时两种VSG单机改进策略对多机并联系统暂态特性的改善效果。此外,为模拟同步发电机的同步原理,给VSG系统加入相位调节器和幅值调节器,通过对电网电压精准迅速的跟踪实现了热插拔。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台完成对VSG多机并联系统数学模型与有功环流改善效果的分析验证。论文成果可为微电网中VSG的参数设计、暂态特性的改善优化以及VSG多机并联系统的建模、虚拟惯量等效方法与暂态环流抑制等提供理论依据及技术支撑。