随着新能源和分布式发电技术的快速发展，以风能和光伏为代表的可再生能源并网容量正在逐年快速增加。并网变流器是可再生能源接入电网的关键部件。随着大量可再生能源的并网，并网变流器在电力系统中得到了越来越多的应用。由于我国可再生能源分布不均，远距离的电能传输需要长输电线路以及大量的升降压环节，通常使得电网表现出弱电网特性。当前的并网变流器普遍采用锁相环实现变流器输出与电网电压的同步。网侧阻抗的存在使得交流侧扰动会对锁相环输出造成影响，进而影响到逆变器的稳定工作。锁相环固有的非线性特性使得这一扰动造成的影响变得难以解析。
　　本文首先给出了并网变流器锁相环的失稳现象，建立了锁相环的非线性模型，分析了锁相环的失稳机理。随后，本文推导了锁相环在逆变器输出有功与无功状态下的动态特性微分方程。为了解析锁相环的阻尼特性，在充分考虑锁相环非线性的基础上，本文还建立了锁相环的系统的二阶小信号模型。在这一小信号模型的基础上，分析了锁相环系统的各项控制参数以及电路参数对于系统阻尼特性的影响，揭示了锁相环系统的阻尼系数随控制参数和电路参数的变换而非线性变化的过程。仿真验证了分析结论。
　　随后，针对锁相环的非线性动态特性微分方程，本文采用平均法(Averaging Method)对这一非线性振动问题进行解析。通过平均法，本文获得了逆变器在输出有功功率和无功功率状态下的锁相环动态特性微分方程的近似时域解析解，用于分析逆变器维持有功输出时遭遇扰动与低电压穿越过程中的锁相环响应。在时域解析解的基础上，本文分析了锁相环的振荡发散条件，获得了锁相环的参数稳定边界，通过仿真验证了时域解析解和稳定边界的准确性并对误差产生的条件进行了分析。
　　最后，在已有研究成果的基础上，提出了对锁相环设计的改进措施。改进方案分为两类，包括参数设计与结构设计。在参数设计上，基于锁相环阻尼变化的非线性过程，充分考虑到锁相环的控制参数与带宽对稳定性的影响，提出了在故障条件下保留充足阻尼裕度的控制参数设计方案。在结构设计方面，由于锁相环的失稳来源其非线性，本文提出在锁相环的控制结构内添加新的非线性的限幅环节以从根本上阻止锁相环输出越过失稳点。考虑到实际应用中电网相角的不确定性，本文提出了适应性的限幅参数设计方案，并通过仿真和实验对以上方案进行了验证。
　　本文针对并网变流器锁相环的非线性特性与暂态稳定性展开了研究，提出了锁相环暂态响应的时域解析解，根据非线性与暂态稳定性的分析结果提出了锁相环的改进设计方案。为锁相环的结构与关键参数设计提供了指导。