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随着电网中特高压交/直流输电技术广泛应用,大规模电能跨区输送、清洁能源渗透率逐渐提高,电力系统中以超低频振荡和低频振荡为代表的小干扰稳定性问题日趋严重,威胁电网安全稳定运行。超低频振荡常发生在水电渗透率较高的电力系统中,工程经验表明该问题与同步发电机一次调频控制关系密切,但至今对其机理尚缺乏深入的理解与剖析。研究超低频振荡问题常采用简单的统一频率模型代替复杂完整模型,但该模型在超低频振荡频段内的适用性尚缺乏严格的数学证明。基于水电机组调速器开展控制设计可以有效抑制超低频振荡,但目前方法一般只考虑稳定性,调整参数后对系统调频性能的影响未见广泛报导。水电机组调速器控制设计应同时考虑超低频振荡稳定性与跟踪性能,且应具有一定的鲁棒性。电力系统稳定器可用于抑制电力系统超低频/低频振荡,但如今广泛应用于整定其相位的理想相频特性法是基于单机无穷大系统推导的,该方法在多机电力系统中的有效性尚缺乏合理解释。相比传统电力系统稳定器,PSS4B型电力系统稳定器具有更多的频段支路与参数,整定良好下对频率较低的超低频振荡与区域模式低频振荡阻尼效果更好,但由于结构复杂、参数众多,整定其参数仍存在困难。本文的主要工作和创新成果如下:1)研究了超低频振荡的产生机理以及关键影响因素。从多机电力系统Phillips-Heffron模型出发,利用矩阵理论以及电网特性,证明了在超低频振荡频段范围内,原始系统可近似降阶为统一频率模型,以及使用统一频率模型分析超低频振荡问题的适用性。基于统一频率模型,推导了超低频振荡模式特征值实部在弱阻尼情况下的解析表达式,并在此基础上解释了为何用阻尼转矩法分析超低频振荡可以得到正确的结论,以及电力系统稳定器抑制超低频振荡需满足的相位条件;研究了同步发电机对奈奎斯特矢量稳定性裕度的影响,并提出了一个基于扫频的超低频振荡稳定性分析方法,该方法具有形式简单、方便应用的特点,避免了计算系统超低频振荡特征值的繁琐。分析结果表明,电力系统超低频振荡特性由系统中各机组的调速器与原动机的动态主导,水电渗透率过高是造成电力系统中存在弱阻尼超低频振荡模式的根本原因,且水电机组调速器参数的改变对超低频振荡模式阻尼影响很大。2)研究了水电占优电力系统调速器控制设计的性能冲突问题,提出了一个考虑性能冲突的水电机组调速器控制设计方法。证明了在含有水电机组的电力系统中调整调速器参数,必然会对系统超低频振荡稳定性与跟踪(调频)性能产生相反的影响,即性能冲突,且当水电渗透率非常高时这种相反的影响不能忽略。提出了一个以跟踪性能最佳为优化目标、以超低频振荡稳定性要求为约束的优化模型,通过求解该优化模型可优化对稳定性起负作用的水电机组调速器参数,从而抑制超低频振荡。3)将结构奇异值理论引入超低频振荡控制设计中,提出了一个考虑多目标的水电机组调速器参数鲁棒设计方法,适用于需考虑大量运行方式下系统性能要求的情况。将由电力系统运行方式变化带来的不确定性处理为统一频率模型中的摄动,推导了将含摄动统一频率模型重构为扩展M-△模型的方法。在此基础上,提出了以寻找使扩展M-△模型结构奇异值小于1为目标的水电机组调速器参数设计方法,该方法保证了含有不确定性的电力系统在新参数下,超低频振荡稳定性与跟踪性能均满足要求。4)研究了抑制超低频振荡与低频振荡的PSS4B型电力系统稳定器控制参数设计方法。从多机电力系统Phillips-Heffron模型出发,利用矩阵理论说明了基于单机无穷大系统推导得到的理想相频特性法适用于整定多机系统中的电力系统稳定器相位。基于多输入多输出系统奈奎斯特稳定性判据,提出了一个用于同时整定多台机组PSS4B控制参数的设计方法,方法中考虑了临界增益的约束,同时整定了 PSS4B的幅频特性与相频特性,且能同时增强系统中多个弱阻尼振荡模式阻尼。