频率是交流电力系统运行的一个重要指标,反映了有功发电与负荷的平衡情况。频率稳定是电力系统稳定的重要组成部分,反映了电力系统在遭受严重扰动导致系统发电-负荷出现严重不平衡时频率能够保持或恢复到允许的范围内不发生频率崩溃的能力,包括短期暂态频率稳定和长期频率稳定两部分。早期小型区域电网备用有限,且与其他电网缺少互联,机组切除等故障容易导致频率发生严重偏移,频率稳定问题突出。随着低频减载等控制措施的普遍应用以及电网互联程度的提高,区域电网间互为备用,系统抗扰动能力逐渐增强,频率稳定一般不被认为是互联电网的重要问题。但是,近些年来,由于电力系统复杂度的提高,隐性故障、连锁故障等导致多处电网发生了频率崩溃事故,表明电力系统频率失稳的可能性依然存在,是电力系统安全稳定运行的重要威胁之一。此外,风电接入电网的规模越来越大,风电的间歇性和严重爬坡事件对系统频率响应和频率稳定的影响也日益显著,需要准确把握电力系统频率动态特性和深入研究频率稳定控制措施。电力系统频率与有功平衡密切相关,频率稳定本质上是有功平衡问题。电力系统无功-电压动态会影响有功-频率动态,导致频率稳定与功角稳定和电压稳定相互耦合,频率稳定分析难度较大。但是,在系统无功备用充裕且励磁系统调节能力较强时,有功不平衡故障导致的电压偏移较小,无功-电压动态对有功-频率动态的影响较小。为降低问题的复杂度,简化频率响应计算,本文在暂态频率稳定评估与控制研究中忽略无功-电压动态,从而更好地把握有功平衡与频率稳定之间的关系。本文采用理论分析与数值仿真的方法,对暂态频率稳定的评估与控制问题进行了深入研究。论文的主要研究工作和取得的创新性成果如下。(1)针对快速分析电力系统有功-频率动态响应的要求,提出了一种基于直流潮流的频率响应模型。电力系统各处的频率响应具有分散与统一的特征,频率稳定与功角稳定、电压稳定具有耦合与独立的特征。目前,频率响应分析方法主要有研究频率响应分散性和频率稳定耦合性的全时域仿真法、研究频率响应统一性和频率稳定耦合性的中长期动态模型以及研究频率响应统一性和频率稳定独立性的平均系统频率模型。针对频率动态与有功动态密切相关的特点,提出了一种基于直流潮流的频率响应模型,以研究频率响应的分散性和频率稳定的独立性。忽略无功-电压动态对有功-频率动态的影响,简化负荷、发电机组、高压直流输电和双馈感应风力发电机组等模型,并采用直流潮流模型模拟网络以近似考虑频率时空分布特性,能够在分析系统频率响应的同时分析机组和支路有功动态。该模型采用微分-代数方程组模拟,求解算法成熟,能够根据需要扩展低频减载、机组低频保护、超速保护、锅炉、自动发电控制等模型。编制了基于改进欧拉法的仿真程序,并在3机9节点系统和福建电网上进行仿真。仿真结果表明,该模型能够有效分析机组切除、负荷突变和线路切除等故障。该模型能够准确分析系统有功-频率动态,且计算量小,为电力系统有功-频率动态分析提供了一种新方法。(2)针对暂态频率稳定评估的需求,提出了一种考虑机组低频保护的暂态频率稳定裕度指标和评估方法。频率稳定的核心是有功平衡。严重的频率下降会威胁系统设备的安全运行,为保证机组安全,机组一般配置有低频保护继电器,以在系统频率严重下降时切除并保护机组。然而,机组低频跳闸会恶化系统功率不平衡,并导致系统频率进一步下降,甚至可能引发其他机组连锁跳闸,造成频率失稳。因此,本文认为机组因低频保护跳闸是电力系统暂态频率失稳的必要条件,并据此提出了一种考虑机组低频保护的暂态频率稳定裕度指标与评估方法。利用暂态频率偏移安全性定量计算机组低频保护的临界扰动量,通过比较实际扰动功率缺额与临界扰动量定义暂态频率稳定裕度指标。为提高暂态频率稳定评估的在线实用性,本文对再热汽轮发电机组进行适当简化,推导了计及机组旋转备用的频率响应解析解,以快速求取系统频率响应并计算暂态频率稳定临界扰动量。以新英格兰10机39节点为例评估了系统在正常运行状态下的暂态频率稳定性,并分析了部分区域因功角失稳与主网解列后的暂态频率稳定性。仿真结果表明,该指标具有较好的线性度,反映了频率稳定与有功平衡密切相关的特点,能够较好地评估系统暂态频率稳定性,对于指导系统安全稳定运行具有重要意义。(3)在暂态频率稳定评估的基础上,提出了一种基于暂态频率偏移安全性的低频减载优化决策方法。低频减载是电力系统频率稳定控制的重要手段,是第三道防线的重要内容。基于启动频率和动作延时的传统低频减载方案应用广泛,但传统整定方法在无备用假设下进行整定,方案较为粗糙,适应性差。为提高低频减载方案的适应性,本文将基本轮的启动判据视为频率安全二元表,提出了一种基于暂态频率偏移安全性的低频减载优化决策方法。对于基本轮,利用暂态频率偏移安全性定量计算各轮次的临界扰动量和切负荷量上限,利用启发式搜索方法优化整定基本轮各轮次的切负荷量,满足系统最大扰动功率要求；对于特殊轮,在基本轮整定方案的基础上利用静态频率特性计算特殊轮切负荷量上下限,并合理整定特殊轮轮数和各轮次的切负荷量。为克服忽略无功-电压动态的缺陷,提高低频减载方案的有效性,分析了电压偏移对低频减载的影响,提出了一种综合频率-电压启动判据,利用动态过程中的频率和电压信息指导低频减载动作。以山东电网为例进行低频减载整定。仿真结果表明,该整定方法由于计及系统运行方式和暂态、稳态频率约束,能够有效地整定低频减载,避免过切和欠切,满足系统频率控制要求；考虑频率-电压耦合特性的综合频率-电压判据能够改善低频减载的动作特性,提高低频减载的适应性。