随着新能源、直流输电、微电网、变频传动负荷等技术的发展,以电力电子为接口的并网装备(后文称之为“变流器”)在电网中的渗透率不断提高,现代电力系统且正在逐渐演变成由电力电子装备和同步发电机共同占主导的高比例电力电子装备电力系统。并且,电网中电力电子装备类型及其控制结构类型呈现多样性,设备的不同控制回路之间、设备与设备间、设备与网络间更是呈现强耦合,这些因素都使得现代电力系统的动态特性愈发复杂。特别地,电力电子装备并网同步控制单元的动态特性与同步发电机的同步特性迥异,导致目前对高比例电力电子装备电力系统的同步稳定机理与动态特征认识还不全面,无法从理论上指导大规模电力电子装备的“友好型并网”,这极大程度上限制了电网大规模接纳新能源的能力,同时也为电网的稳定运行与稳定控制带来了严峻的挑战。在这样的背景下,本文以多类型与多控制结构的电力电子并网装备为研究对象,旨在从大干扰稳定与小干扰稳定两个维度分析电力电子并网装备的同步机理与动态特征,从而从理论上指导“并网友好型”的并网同步单元的控制设计,提升高比例电力电子装备电力系统的同步稳定裕度与安全稳定性。主要完成的工作可以概括为以下三个部分:第一,在小干扰同步稳定方面,提出了基于同步主导回路的同步稳定分析方法,并以此分析锁相环型变流器和组网型变流器在其同步单元主导下的小干扰同步稳定性。重点探索了在不同的同步单元设计下变流器的同步机理以及在不同电网强度下的同步稳定裕度变化规律。研究表明,锁相环回路在弱电网工况下会与其他控制回路以及电网动态产生复杂的强耦合特性,并导致系统的稳定裕度大为降低,危及电网的小干扰同步稳定性。相比之下,组网型变流器对电网强度呈现出更强的适应性与更好的鲁棒性,因此更适用于接纳大规模的电力电子并网装备。第二,在大干扰同步稳定方面,提出了基于虚拟功角与虚拟功角曲线的同步稳定分析方法,并以此分析组网型变流器在大干扰下的运动变化过程。通过对两种典型大干扰场景(功率阶跃和电压跌落)的分析指出,组网型变流器在大干扰下会由于电流限幅而由电压源外特性退变成电流源外特性,从而导致系统的同步稳定裕度大为降低,且在暂态过程中可能进入不期望的稳定平衡点从而使电压外环一直失效。基于虚拟功角曲线分析,提出利用变流器同步单元设计的灵活性改善虚拟功角特性的设计方法,提高组网型变流器的大干扰同步稳定性。第三,在同步稳定控制设计方面,基于前述同步稳定性的分析方法与以此建立的对系统同步特性的物理理解,探索了相应的同步单元设计方法,以提升变流器自身的同步稳定性以及电网的同步稳定性。围绕这一点,论文主要从以下三个方面进行了相关研究:1.基于同步主导回路分析结果,系统性地提出了对同步单元的回路整形方法,从而提高系统的小干扰同步稳定性。进一步地,基于同步主导回路分析与复转矩分析法之间的联系,将其应用于分析同步单元的设计对电力系统机电振荡模式(低频振荡)的影响,并指导设计具有低频振荡抑制功能的同步单元辅助回路。研究表明,变流器的虚拟惯量模拟会使其会参与到电力系统低频振荡中,且频率检测回路起负阻尼效应,而通过对该回路合理的频域特性整形可以消除其负阻尼效应。2.针对当前直流电压控制型变流器对电网强度鲁棒性低的问题,提出一种利用直流电容动态实现变流器并网自同步的同步单元控制结构,弥补了当前直流电压控制型变流器依赖于锁相环控制结构实现并网同步而对电网强度不鲁棒的缺点。研究表明,所提出的控制结构极大地提升了变流器对电网强度的适应性与鲁棒性。论文还进一步探索了所提出的控制结构在多端直流中的应用,研究表明该控制结构可以方便地实现直流电压-有功下垂从而使多端直流运行于对等控制模式并显著地提高换流站对电网强度的适应性。3.为了进一步提升变流器对电网强度的适应性与鲁棒性,并探索同步单元更为通用的控制结构,提出了适用于变流器同步单元的H_∞控制设计框架,并阐述了如何通过权函数的设计实现期望的控制目标和动态特性。探讨了所得到的同步控制器的最优性与鲁棒性,并证明了所得到的控制器在网络特性满足一定条件时可以去中心化地保证多设备系统的全局稳定性。