随着光伏和风力发电在电网中所占的比重越来越大，电力系统出现了机械惯量变小、负载扰动时频率偏移过大等问题，为了解决这些问题，有学者提出了“虚拟同步发电机”的概念，使逆变器以类似于传统同步发电机的特性运行。本文研究的主要目的在于完善电压源型虚拟同步发电机的拓扑设计方法以及建立更加完善的虚拟同步发电机模型，为虚拟同步发电机的实际应用提供理论支持。
本文首先对电压源型虚拟同步发电机和实际同步发电机的拓扑进行了对比，阐明了阻尼系数、虚拟惯量等虚拟同步发电机中名词的物理意义。然后本文在传统LCL型逆变器设计方法的基础上加入了电容电压纹波限制条件，提出了电压源型虚拟同步发电机电路参数的计算方法，并通过仿真和实验对电路参数进行了验证。
其次，本文在传统的线路功率传输方程建模方法基础上，考虑了线路电感产生的入网功率的动态特性，建立了电压源型虚拟同步发电机算法的传递函数模型和非线性的状态空间模型；并利用传递函数模型以及状态空间模型对虚拟同步发电机的控制参数以及电路参数对系统的稳定性影响进行了深入的分析。在建模和稳定性分析的基础上，本文提出了电压源型虚拟同步发电机参数设计的方法，并通过仿真和实验进行了验证。
最后，本文利用所建立的传递函数和状态空间模型对电压源型虚拟同步发电机中虚拟阻抗的作用进行了深入的建模分析，阐明了虚拟阻抗与实际阻抗的区别以及虚拟阻抗的加入对系统的动态和静态特性的影响，并且对虚拟阻抗在功率解耦以及增强系统稳定性方面的作用进行了分析。最后通过仿真和实验对虚拟阻抗的作用进行了验证。