电力系统稳定性分析与控制策略研究

一、引言

电力系统涵盖发电、输电、配电环节，需维持电压（偏差 ≤±5% ）、频率（ 50±0.2Hz ）稳定。随着新能源（风电、光伏）并网比例提升（占比超 30% ）、负荷类型多元化（如电动汽车、储能），系统惯性降低、扰动源增多，易出现功角失稳（如发电机转子失步）、电压崩溃（如负荷骤增导致电压骤降）等问题，平均停电时间延长至 1-2 小时。

在 “双碳” 目标下，电力系统向高比例新能源、高电力电子化转型，稳定性控制难度加剧。研究稳定性分析方法与控制策略，对降低系统故障发生率（目标≤0.1 次 / 年・百兆瓦）、保障电网安全运行具有重要意义，也是电力系统自动化领域的核心研究方向。

二、电力系统稳定性的核心类型与影响因素

2.1 核心稳定性类型

系统稳定性主要分为三类：一是功角稳定，指发电机转子间相对功角的稳定，功角偏移超 180^∘ 会导致失步，占系统稳定故障的 40%-50% ；二是电压稳定，指节点电压维持在允许范围的能力，电压低于额定值 85% 且无法恢复时引发崩溃，多发生在重负荷区域；三是频率稳定，指系统频率抵御扰动的能力，频率低于 49.5Hz 或高于 50.5Hz 需紧急控制，频率崩溃会导致全网停电。

2.2 关键影响因素

影响稳定性的核心因素包括：一是电源特性，新能源发电（风电、光伏）出力波动大（ ±20%/ 分钟）、惯量低，降低系统抗扰动能力；传统发电机励磁系统故障（如励磁电压异常）会破坏功角稳定；二是负荷特性，冲击负荷（如电弧炉）导致功率骤变 (±10% 额定功率），易引发电压波动；大规模电动汽车充电（同时率超 30% ）会加剧频率波动；三是网络结构，输电线路过载（电流超额定值 120% ）、变压器故障会导致功率传输受阻，引发局部稳定问题；四是调控能力，继电保护动作延迟（ ζ>0.1sζ) ）、控制策略滞后会扩大故障影响。

三、电力系统稳定性的核心分析方法

3.1 时域仿真分析

适用于动态过程模拟：基于电力系统元件数学模型（发电机、负荷、线路），在MATLAB/Simulink、PSASP 等软件中构建系统模型，模拟扰动（如短路故障、负荷骤增）后的动态响应（功角、电压、频率变化曲线）；仿真时间步长设为 0.01-0.05s，分析扰动后系统是否恢复稳定（如功角振荡衰减、电压回升至额定值 90% 以上）；可量化稳定裕度（如功角稳定裕度 ≥15^∘. ），为控制策略制定提供依据。

3.2 频域分析方法

聚焦系统动态特性：通过小信号稳定性分析，将系统线性化，计算特征值（实部 < 0 表示稳定）与阻尼比 (≥0.15 为合格），识别弱阻尼模态（易引发振荡）；采用 Bode图、奈奎斯特图分析系统频率响应，评估励磁系统、调速系统对稳定性的影响；频域分析适用于小扰动（如负荷小幅波动）下的稳定性评估，计算效率比时域仿真高 30%-50% 。

3.3 暂态稳定评估

应对大扰动场景：采用暂态能量函数法，计算扰动前后系统暂态能量，能量差 < 临界值时系统稳定；或通过轨迹分析法，判断扰动后功角、电压轨迹是否收敛；暂态稳定评估需考虑极端场景（如三相短路、发电机跳闸），评估时间≤1s，为紧急控制提供快

速决策支持。

四、电力系统稳定性的控制策略

4.1 功角稳定控制

预防发电机失步：一是励磁控制优化，采用 PSS（电力系统稳定器）抑制低频振荡（ ，提升阻尼比至 0.2 以上；紧急情况下投入强励磁（励磁电压提升至额定值 2 倍），缩短功角振荡衰减时间（从 5s 降至 2s 以内）；二是快速切机与减载，故障时切除部分发电机（切除量 ≤10% 额定容量）或削减负荷（削减量 55% ），平衡功率供需，防止功角失步；三是串联补偿控制，在输电线路加装可控串联补偿装置（TCSC），调节线路阻抗（变化范围 ±30% ），提升功率传输能力，增加功角稳定裕度。

4.2 电压稳定控制

维持节点电压稳定：一是无功功率调控，在重负荷节点配置 SVG（静止无功发生器）、SVC（静止无功补偿器），动态补偿无功（响应时间≤0.05s），电压低于额定值90% 时快速增发无功；二是负荷控制，采用需求响应技术，电压异常时削减非重要负荷（如景观照明、部分工业负荷），削减量 ≤15% ，缓解电压下降；三是变压器调压，通过有载调压变压器（OLTC）调整分接头（调压范围 ±10%) ，在电压波动 ±5% 时实时调压，维持节点电压稳定。

4.3 频率稳定控制

保障系统频率合格：一是一次调频，发电机调速系统在频率偏差 >0.1Hz 时自动调整出力（响应时间≤0.5s），调频容量 2% 额定功率，抑制频率快速变化；二是二次调频，AGC（自动发电控制）系统在频率偏差 >0.2Hz 时，协调各电厂增发或减发功率（调整精度 _±0.02Hz) ，使频率恢复至 50±0.1Hz ；三是紧急控制，频率低于 49Hz 时启动低频减载（分 3-5 轮，每轮减载 2%-3%) ），频率高于 51Hz 时切除部分电源，防止频率崩溃。

五、结论

电力系统稳定性分析需结合时域仿真、频域分析，精准识别稳定风险；控制策略需针对功角、电压、频率稳定，通过励磁优化、无功补偿、调频控制协同发力。当前需进一步突破新能源高比例并网下的稳定控制技术，提升系统抗波动能力。

未来，需推动稳定性控制与智能化融合，如利用 AI 算法预测扰动、数字孪生模拟系统动态；完善新能源并网控制标准（如惯量支撑要求）；加强区域间协同控制（如跨省调频），推动电力系统向 “高稳定、高弹性” 方向发展，为新能源大规模并网与 “双碳” 目标达成提供支撑。

参考文献

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