电气工程及其自动化中电力系统稳定性控制研究

一、引言

随着社会经济发展，电力系统规模扩大、结构复杂，新能源接入和电力电子设备应用让其动态特性更复杂，稳定性控制面临挑战。电力系统稳定性指系统受扰动后恢复或保持在可接受运行范围的能力，一旦破坏会引发大面积停电及损失。因此，研究稳定性控制技术对保障电力系统安全、稳定、高效运行意义重大。在电气工程及其自动化领域，稳定性控制技术是研究热点，自动化技术进步推动其从传统单一控制向多维度、智能化控制发展。

二、电力系统稳定性的基本概念与分类

2.1 基本概念

电力系统稳定性核心是维持发电机同步运行及电压、频率稳定。正常时发电机同步，电压和频率在额定值附近波动；受扰动时，发电机功角、电压、频率变化超范围会导致系统失稳。

2.2 主要分类

根据扰动后动态过程和关注物理量，电力系统稳定性分为功角、电压和频率稳定性三类。功角稳定性指同步发电机维持同步运行能力，分静态稳定和暂态稳定；电压稳定性指系统扰动后维持电压在允许范围的能力，电压持续下降无法恢复会引发崩溃；频率稳定性指系统有功功率失衡时维持频率在允许范围的能力，有功缺额严重时会引发频率崩溃。

三、影响电力系统稳定性的主要因素

3.1 扰动因素

扰动是导致稳定性问题的直接原因，分小扰动和大扰动。小扰动通常不引发失稳但会累积影响系统动态特性；大扰动可能导致系统功角、电压、频率急剧变化，控制不当易破坏稳定性。

3.2 系统结构因素

电力系统的网络拓扑、输电线路阻抗、电源分布等结构因素影响稳定性。长距离输电线路感抗大易引发功角稳定性问题；电源与负荷分布不均可能导致电压稳定性问题。

3.3 负荷特性因素

负荷的类型和动态特性直接影响系统稳定性。感应电动机、电力电子设备等非线性负荷的比例上升，会增加系统的动态复杂性；冲击负荷（如电弧炉、轧钢机）的突然变化，可能导致电压和频率波动，考验系统的调节能力。

3.4 新能源接入因素

新能源发电具有间歇性、波动性特点，其大规模接入会改变系统的惯量和阻尼特性。例如，风电和光伏依赖电力电子变流器并网，惯量较小，对频率变化的响应较慢，可能降低系统的频率稳定性；新能源出力的波动还可能导致电压波动，影响电压稳定性。

四、电力系统稳定性控制的主要方法与技术

4.1 励磁控制技术

励磁控制系统是改善同步发电机功角和电压稳定性的重要手段，通过调节励磁电流改变端电压和电磁功率来控制功角。传统励磁调节器用比例 - 积分 -微分（PID）算法实现基本电压调节和稳定控制；现代励磁控制系统结合自适应、最优控制等先进算法，可据系统运行状态动态调整参数，提高控制精度和响应速度。

电力系统稳定器（PSS）是励磁控制系统重要附加装置，用于抑制低频振荡。低频振荡是功角稳定性常见问题，表现为发电机功角小扰动下周期性波动，PSS 通过引入与转速偏差相关附加信号增加系统阻尼，抑制振荡。

4.2 柔性交流输电技术（FACTS）

FACTS 技术通过采用电力电子设备实现对输电系统参数（如电压、阻抗、功率）的灵活控制，显著提升电力系统的稳定性。常用的 FACTS 装置包括：

静止无功补偿器（SVC）：通过调节无功输出，维持节点电压稳定，增强系统的电压稳定性。

晶闸管控制串联补偿器（TCSC）：通过调节串联电容的容抗，改变输电线路的等效阻抗，提高线路输送能力，改善功角稳定性。

统一潮流控制器（UPFC）：具备同时控制电压、阻抗和功率的能力，可灵活调节输电潮流，优化系统运行状态，提升整体稳定性。

4.3 主动负荷控制技术

主动负荷控制通过对负荷的实时监测和动态调节，实现负荷与电源的匹配，缓解系统稳定性压力。在频率稳定性控制中，可通过切除部分负荷（低频减载）或增加可控负荷（如储能负荷）来平衡有功功率；在电压稳定性控制中，可通过调节感性负荷或容性负荷的投入量，维持电压稳定。

4.4 广域测量与控制系统（WAMS）

WAMS 基于同步相量测量单元（PMU），能够实现对电力系统全网动态信息的实时采集和同步监测。PMU 可精确测量发电机功角、电压相角、频率等关键参数，通过高速通信网络传输至控制中心，为稳定性控制提供实时数据支持。基于 WAMS 的广域稳定控制能够实现跨区域、多设备的协同控制，针对大扰动快速制定控制策略，如切机、切负荷、调节 FACTS 装置等，有效防止系统失稳。

五、自动化技术在电力系统稳定性控制中的应用

5.1 智能决策支持系统

结合人工智能（AI）技术的智能决策支持系统，能够利用历史数据和实时监测数据，对系统稳定性进行预测和评估。通过机器学习算法识别系统失稳的前兆特征，提前制定控制策略；在系统发生扰动时，快速生成最优控制方案，指导励磁调节器、FACTS 装置等执行控制动作，缩短响应时间。

5.2 自适应控制技术

自适应控制技术可根据系统运行状态的变化自动调整控制参数，适用于运行条件复杂多变的电力系统。例如，自适应励磁控制能够根据发电机负荷、系统拓扑的变化，实时优化励磁调节参数，确保在不同工况下均能维持良好的稳定性；自适应低频减载方案可根据系统频率下降速度和幅度，动态调整负荷切除量，避免过度切负荷或切负荷不足。

5.3 分布式控制技术

随着分布式能源的大规模接入，电力系统逐渐向分布式结构演变，分布式控制技术成为稳定性控制的重要发展方向。分布式控制通过将控制任务分散到各个本地控制器，实现区域自治与协同控制，减少对中心控制器的依赖，提高系统的可靠性和灵活性。

六、结论与展望

电力系统稳定性控制是电气工程及其自动化领域的关键技术，其发展水平直接决定电力系统的安全运行能力。当前，励磁控制、FACTS 技术、WAMS 等已成为稳定性控制的重要手段，自动化技术的应用进一步提升了控制的智能化和快速性。然而，随着新能源的高比例接入、电力电子设备的广泛应用以及系统规模的持续扩大，电力系统稳定性控制仍面临诸多挑战，如低惯量系统的频率稳定控制、复杂动态特性下的精准调控等。

参考文献

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