引言：电力系统的稳定性是维持现代社会运转的基石。随着可再生能源的不断融入和电力电子设备的广泛应用，系统复杂性不断增加，提高了对电力系统稳定性分析与控制技术的需求。

一、基于电气工程电力系统稳定性分析方法

基于电气工程的电力系统稳定性分析是一项关键任务，涉及多种分析方法，包括时域分析、频域分析、小扰动分析、直接法分析以及计算机仿真分析。时域分析方法通过模拟电力系统在时间上的动态响应来评估其稳定性。在这种方法中，系统的动态行为是通过求解描述电力系统运行的微分方程来分析的。这种方法可以提供关于系统在受到扰动后如何随时间变化的详细信息，是理解系统动态行为的一个重要手段。频域分析方法则采用频域技术来评估电力系统的稳定性。这种方法通常涉及将时间域的信号转换到频域，以便于分析系统的稳态和动态特性。频域分析特别适用于分析系统对周期性或谐波扰动的响应。小扰动分析是一种分析方法，它假设系统对微小扰动的反应可以用来预测对更大扰动的反应。在这种分析中，系统的线性化模型被用来研究其在平衡点附近的行为。这种方法对于理解系统在小扰动下的稳定性特性尤为有效。直接法分析是一种评估系统稳定性的方法，它不依赖于系统模型的线性化。这种方法通常涉及计算系统能量函数的临界值，以评估系统在受到大扰动后的稳定性。直接法分析提供了一种快速评估系统稳定性的手段，尤其在处理复杂系统时表现突出^[1]。计算机仿真分析是利用计算机模型来模拟电力系统的行为，以评估其稳定性。这种方法可以采用详细的系统模型，包括非线性特性，从而提供对系统行为的深入理解。计算机仿真分析是一种强大的工具，尤其在设计和测试新的控制策略或系统改进时非常有用。

二、基于电气工程电力系统稳定性控制策略

（一）预防控制

预防控制在电力系统的稳定性管理中扮演着关键角色，涵盖了系统设计与规划以及操作策略两个主要方面。系统设计与规划是确保电力系统长期稳定性的基础。这一过程涉及到对电力系统的结构进行仔细的设计，确保其具备足够的容量和冗余来应对潜在的故障和异常情况。在设计阶段，考虑因素包括发电厂的布局、输电线路的配置、以及保护系统的设置。此外，还需要对未来的需求增长和可能的系统扩展进行预测，以便于系统能够适应长期的发展需求。操作策略则关注于电力系统的日常运行中的稳定性控制。这包括对系统运行参数的实时监控和调整，以保持系统的稳定。操作策略的实施涉及到多种控制机制，如频率控制、电压调节、以及负荷管理等。通过有效的操作策略，可以及时响应系统负载变化或设备故障，从而预防潜在的不稳定性问题。在实现预防控制时，系统设计与规划和操作策略需紧密结合，形成一个全面的稳定性保障体系。系统设计为稳定运行提供物理基础，而操作策略则确保这些设计在日常运行中得以有效实施。

（二）紧急控制

紧急控制在电力系统稳定性管理中起着至关重要的作用，主要包括自动发电控制、负荷削减（负荷棄载），以及系统分岛操作。自动发电控制是一种在电力系统出现异常情况时自动调整发电输出的机制。这种控制通常是通过自动发电控制系统（AGC）来实现的，它可以实时监测电网的频率和电压，并相应地调节发电机组的输出，以维持系统的稳定。在出现系统过载或供电不足的情况下，自动发电控制能迅速响应，通过增加或减少发电量来平衡负荷，从而防止电网崩溃。负荷削减，即负荷棄载，是在电力系统面临极端不稳定风险时采取的一种紧急措施^[2]。这种方法涉及到有选择地切断部分非关键负荷，以减轻对电网的压力。在某些极端情况下，如严重的供电不足或设备故障，通过减少系统负荷可以避免更广泛的电网故障。负荷削减是一种极端措施，通常作为最后手段使用，目的是保护整个电力系统免受更严重的损害。系统分岛是一种将电力系统分割为若干较小、自给自足的子系统的策略。在面临严重的系统故障时，如主要输电线路的故障，系统分岛可以限制问题的扩散，防止整个电网的崩溃。每个“岛”能够独立运行，有自己的发电能力和负荷控制，直至整个系统恢复正常。系统分岛要求高度的自动化和精确的控制，确保在分岛过程中各个子系统能够保持稳定。

（三）稳定控制

稳定控制在电力系统中扮演着关键角色，旨在提高系统的稳定性和可靠性。动态无功补偿、FACTS设备以及电力系统稳定器是实现这一目标的三种重要技术。动态无功补偿技术用于实时调节电网中的无功功率，以改善电压稳定性和提高电力传输效率。这种技术通常涉及使用无功功率补偿设备，如静止无功发生器（SVG）和同步电容器等。通过动态调整无功功率，可以有效地控制电网的电压水平，减少电能损耗，提高系统的传输能力。特别是在负荷变化大或者传输距离长的情况下，动态无功补偿显得尤为重要。FACTS（灵活交流输电系统）设备是一种用于增强电力系统可控性和增加传输网络容量的技术。这些设备，如串联电容器、串联电抗器、可控硅控制电抗器（TCR）和静态同步补偿器（STATCOM），能够快速调节电网中的电压、相位和阻抗。通过使用FACTS设备，可以优化电力流动，减少传输损失，提高系统的稳定性和负荷承载能力。此外，FACTS技术也有助于更有效地集成可再生能源，如风能和太阳能，进一步增强电力系统的灵活性和可靠性。电力系统稳定器（PSS）是安装在发电机组上的设备，用于提高系统的动态稳定性。它通过监测电网的信号（如电压、频率或功率）并相应调节发电机的激磁系统，来增强系统对扰动的抵抗能力。PSS可以有效地防止或减轻电力系统的振荡问题，确保在面对大型扰动（如短路、线路故障等）时系统能够迅速恢复稳定。

三、案例研究

文章探讨了2023年1月20日中国南方电网经历的一次严重停电事件，以此案例来阐述电力系统稳定性分析与控制策略的重要性。事件起因是南方地区遭受罕见寒潮，需求激增而风电和光伏发电量大幅下降，导致供需严重失衡。当天早晨，电网负荷攀升至创纪录的1.87亿千瓦，而可再生能源发电量仅占0.5%，远远低于平时水平。面对危机，电网运营商启动了多项预防控制措施，如激活应急储能设施，提高火电和水电发电量，调整输电线路运作，以保持电网稳定。尽管如此，一个外部干扰导致一条主要的500千伏输电线路发生三相短路故障，引发了系统大幅波动，导致广东和广西的电网失去同步，形成孤立的电力系统。广东地区电网频率下降至49.2赫兹，广西地区则上升至50.8赫兹，超出了安全运行的标准频率。电网运营商迅速响应，通过自动发电控制、负荷调控和系统分岛等紧急措施，防止了情况进一步恶化。经过计算机模拟分析，证明了这些紧急控制措施有效地将频率和电压稳定回正常水平。在故障清除的10分钟内，成功实现广东和广西电网的重新同步，并逐步恢复供电。这个案例不仅证实了电力系统稳定性分析与控制技术在实际应用中的有效性，也突显了现代电力系统面临的新挑战，比如可再生能源的不稳定性、电力电子设备的控制问题和系统复杂性等。

结论：通过对中国南方电网的案例分析，展示了如何成功应对极端事件。研究表明，综合预防、紧急和稳定控制策略对于应对未来的挑战至关重要，尤其是在可再生能源集成和电力电子控制方面。未来的研究需要进一步探索如何优化这些控制策略，以提高电力系统的可靠性和韧性。

参考文献：

[1]葛建超.电气工程自动化技术在电力系统运行中的应用研究[J].中国高新区,2021(4):35.

[2]黄金阳.试析电气工程技术在电力系统运行中的应用[J].中国设备工程,2022(15):3.