电力系统稳定性分析与控制策略研究

一、引言

电力系统稳定是保障电力可靠供应、维持社会经济正常运转的关键。随着电力系统规模不断扩大、结构日益复杂，以及新能源大规模接入，电力系统稳定性面临新的挑战。

二、电力系统稳定性分析方法

（一）静态稳定性分析

静态稳定性是指电力系统在小扰动下恢复到原始运行状态的能力，小扰动通常指负荷的微小变化、发电机功率的微调等 。基于小干扰法的静态稳定性分析理论，通过对系统线性化模型进行特征值分析，可判断系统在平衡点附近的稳定性。若所有特征值实部均为负，则系统在该平衡点是静态稳定的；若存在实部为正的特征值，则系统不稳定。电力系统节点电压方程是静态稳定分析的基础模型，通过建立节点注入功率与节点电压之间的关系，可求解系统的潮流分布。

（二）暂态稳定性分析

当电力系统遭受大扰动，如短路故障、大型发电机跳闸等，系统进入暂态过程，该过程包括故障发生、故障切除及系统恢复三个阶段 。在故障发生瞬间，系统的功率平衡被打破，发电机转子加速或减速；故障切除后，若系统能够重新建立功率平衡，发电机转子经过振荡后恢复同步运行，则系统暂态稳定，反之则不稳定。等面积定则是一种直观的暂态稳定判据，通过比较故障期间发电机转子加速面积和故障切除后转子减速面积，判断系统是否稳定。时域仿真法是暂态稳定分析的常用方法，利用微分方程求解器对电力系统的动态方程进行数值积分，模拟系统在大扰动后的暂态过程 。该方法能够详细地反映系统各元件的动态特性，结果准确，但计算量大、耗时较长。

（三）动态稳定性分析

电力系统动态稳定问题主要包括低频振荡和次同步振荡 。低频振荡通常由发电机之间的转子摇摆引起，频率一般在0.2-2Hz 之间，严重时会导致系统解列。次同步振荡则与串联补偿输电线路、大型汽轮发电机组轴系相互作用有关，其频率低于系统同步频率，可能引发汽轮发电机组轴系扭振损坏。基于频域分析的传递函数法通过建立系统输入输出之间的传递函数关系，分析系统的频率特性，可用于识别系统的振荡模式和频率 。基于时域分析的非线性状态空间法能够精确描述系统的动态行为，适用于复杂电力系统的动态稳定分析。

三、影响电力系统稳定性的因素

（一）负荷特性影响

有功负荷增长会使系统频率下降，若发电机调速系统不能及时调整输出功率，可能导致频率崩溃。无功负荷变化则会影响系统电压，当无功功率不足时，电压会降低，严重时可能引发电压崩溃。负荷的电压、频率调节效应也会对电力系统稳定性产生影响，不同的负荷模型对稳定性分析结果影响显著 。恒功率模型简单直观，但不能准确反映负荷在电压、频率变化时的动态特性；感应电动机模型能够更真实地模拟负荷的动态行为，但模型参数较多，难以准确辨识。

（二）电网结构影响

电网结构的紧密程度直接影响系统的稳定性 。结构紧密的电网，各节点之间联系强，功率传输能力强，稳定性较好；而结构薄弱的电网，如长距离输电线路、弱连接区域，容易出现功率传输瓶颈，引发静态、暂态稳定问题。电网中的薄弱环节，如长距离输电线路、弱连接区域，是系统稳定性的关键风险点 。这些区域在遭受扰动时，容易出现电压崩溃、功率振荡等问题，进而影响整个系统的稳定。关键节点的电压稳定性对系统整体稳定至关重要，关键节点通常是负荷中心或枢纽变电站所在节点，其电压波动会通过网络传播，影响其他节点的电压和功率平衡。

（三）新能源接入影响

风电和光伏电源具有间歇性和波动性，其输出功率受风速、光照等自然条件影响较大 。这种不确定性会对电力系统频率和电压稳定产生影响，例如，当风电或光伏出力突然下降时，若系统不能及时调整其他电源的功率，会导致频率下降和电压波动。新能源电源的低电压穿越能力也对系统暂态稳定至关重要，具备良好低电压穿越能力的新能源电源能够在电网电压跌落时保持不脱网运行，并提供无功支持，有助于维持系统暂态稳定。新能源并网逆变器等电力电子设备的广泛应用，给电力系统带来了新的稳定问题。这些设备可能引发次同步振荡、谐波等问题，影响系统的电能质量和稳定性。

四、电力系统稳定性控制策略

（一）基于控制装置的策略

同步发电机自动励磁调节系统（AVR）通过调节发电机的励磁电流，控制发电机端电压，维持系统电压稳定 。当系统电压降低时，AVR 自动增加励磁电流，提高发电机端电压；当电压过高时，则减少励磁电流。静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）等柔性交流输电装置能够快速调节无功功率，具有响应速度快、调节范围广等优点，可有效改善系统电压稳定性，尤其在负荷波动较大或系统发生故障时，能够快速提供无功支持，防止电压崩溃。自动低频减载装置（AFL）是保障电力系统频率稳定的重要措施。

（二）基于优化调度的策略

考虑稳定性约束的有功功率经济调度模型，在满足系统功率平衡和稳定性要求的前提下，实现发电成本最小化 。该模型将系统的静态稳定极限、暂态稳定约束等纳入优化目标函数，通过优化算法求解发电机的有功出力。基于最优潮流的无功优化方法通过优化系统的无功功率分布，实现电压稳定和网损最小化 。该方法以节点电压、无功功率等为控制变量，以系统有功网损为目标函数，同时考虑电压约束、无功功率平衡约束等条件，通过优化算法求解最优的无功控制策略。

（三）综合协调控制策略

电力系统稳定控制在不同时间尺度具有不同的控制需求 。秒级时间尺度主要关注系统故障后的快速稳定控制，如快速切除故障、调节发电机励磁等；分钟级时间尺度侧重于系统频率和电压的恢复控制，如调整发电机出力、投切电容器组；小时级时间尺度则更注重系统的经济运行和优化调度。在互联电网中，多区域协调控制对于维持系统稳定至关重要 。区域间联络线功率控制能够调节各区域之间的功率交换，实现功率的合理分配，避免部分区域出现功率过剩或不足的情况。频率一致性调节则确保各区域电网的频率保持一致，防止系统解列。

五、结论

本文系统研究了电力系统稳定性分析方法与控制策略。电力系统稳定性分析涵盖静态、暂态和动态稳定分析，不同分析方法具有各自的特点和适用范围，为准确评估系统稳定性提供了理论依据。负荷特性、电网结构和新能源接入等因素对电力系统稳定性有着重要影响，深入了解这些影响因素是制定有效控制策略的基础。针对不同的稳定问题，提出了基于控制装置、优化调度及综合协调的多种控制策略，这些策略相互配合、协同作用，能够有效提升电力系统的稳定性。在实际应用中，通过合理运用稳定性分析方法和控制策略，可保障电力系统安全可靠运行。

参考文献：

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