自动发电控制(Automatic Generation Control,AGC)是电网频率调节、发电机组调度与控制的一项重要内容,一直备受关注。一旦电力系统出现负荷扰动,AGC技术可迅速调整区域内机组出力及联络线交换功率,恢复发电功率与用电负荷之间的平衡,维持频率稳定。然而,随着电力系统的结构和运行方式越来越复杂多样,电力系统与电厂机组的动态交互特性及相互影响越发明显,尤其是非线性特性使得AGC系统传统控制器的调节性能降低,以致电能质量受到影响。在参与AGC调节的机组中,火电机组占有较大比重,其功率响应能力影响着电力系统频率的控制性能。现阶段,全国电网各机组实施的"两个细则"制定了机组AGC性能的考核内容,对火电机组参与调频提出了严格的要求。电网规模的扩大和新能源发电的并网引起电力系统不确定性和随机负荷扰动问题日益突出,如何在保证动态性能的条件下,增强对随机扰动的抑制能力,对AGC控制策略提出了新要求。因此,研究火电机组功率与电网频率的交互特性以及AGC控制策略对于保障电网与机组的安全稳定运行具有重要意义。本文以火电机组协调控制系统(Coordinated Control System,CCS)优化、机组与电网的交互特性分析以及AGC控制策略研究三个方面,开展了以下工作:为提高火电机组AGC性能,基于电厂机组的历史数据,设计了电厂侧计算AGC性能指标的方法。结合计算出的AGC性能指标和主蒸汽压力的ITAE指标,设计了新的优化目标函数,并基于此目标函数,开展CCS系统控制器参数的遗传优化研究,证明了所提目标函数在保证机组稳定运行的同时可提升AGC性能。最后,基于机组与电网交互的AGC系统模型,分析了 CCS系统参数变化对AGC频率特性的影响,证明了负荷扰动发生后基于所提目标函数的CCS系统参数优化提高了机组的AGC性能,降低了电网频率偏差最大变化量。为深入分析电力系统非线性特性,提出了一种基于Adomian分解法(Adomian Decomposition Method,ADM)的改进解析数值集成算法。应用微分变换理论求解得到了解析解的矩阵表达形式,简化了 ADM各阶解分量的解析表达式。根据所定义的递归误差,实现了步长和截断阶数的自动调整,提高了算法进行全局仿真的精度和迭代步长。针对耦合非线性系统存在多个子系统的情况,分析了不同的截断标准对求解系统的精度的影响。基于所提算法,对电力单机无穷大(Single Machine Infinite Bus,SMIB)系统进行了非线性动力学研究,证明了随着扰动幅值的增大,电力系统出现1周期到多周期的分岔现象,甚至会出现混沌。考虑到电力系统发生有功功率扰动会引起系统振荡,基于电力单机无穷大系统的 Phillips-Heffron 模型,建立了联合自动电压调节(Automatic Voltage Regulation,AVR)回路和自动发电控制回路的含双饱和环节的耦合模型。分析了耦合模型中的发电机变化率约束(Generation Rate Constraint,GRC)和励磁饱和约束特性。采用所提的ADM改进解析数值集成算法,求解得到了所建立的耦合非线性系统的ADM解析解,仿真研究了 AGC的PI参数和饱和环节参数对系统频率与有功功率的影响,AGC系统PI控制参数设置不当会引起频率与有功功率振荡或者发散,而适当的发电机变化率约束和励磁饱和约束对AGC系统的发散现象可产生抑制作用。在周期性汽轮机调节阀开度扰动或周期性负荷扰动的条件下发生共振时,在合理的范围内,提高PI控制器比例系数会增大耦合系统的共振频率,而提高积分系数会增大耦合系统的共振振幅。通过周期性扰动下饱和特性分析,表明GRC和励磁饱和环节参数会影响到耦合系统的共振振幅。针对AGC系统存在GRC和时延问题,应用Hopf分岔劳斯判据和时延系统稳定判据,在分别计算出了 AGC系统的饱和PI稳定域和时延PI稳定域的基础上,根据ADM改进解析数值集成算法,分别得到了 AGC饱和非线性系统和AGC时延系统的ADM解析解,并通过控制系统的时序图及相位图验证了所求PI稳定域的正确性。AGC系统被等效为负荷频率控制回路与机组控制回路组成的串级控制系统,通过将PI稳定域转化为控制器参数优化的约束条件,对AGC串级系统进行了内外环PI控制器参数遗传寻优研究,保证串级系统内外环均有良好的动态性能。针对AGC系统存在的参数不确定性和随机扰动的难题,分析了鲁棒方差控制(Robust Variance Control,RVC)极点配置与噪声抑制之间的关系,并在构造了综合稳态状态方差和控制能量的性能指标的基础上,提出了具有最优性能指标的鲁棒方差控制策略。根据构造的性能指标推导线性矩阵不等式形式的约束条件,从而将设计具有最优性能指标的鲁棒方差控制问题转化为求解鲁棒方差约束的优化问题。通过对区域极点圆心坐标和正标量进行遗传优化,得到了动态性能指标最优的控制器参数。并在两区域AGC系统中,对比证明了所提控制策略能够衰减噪声并且具有较强的鲁棒性和良好的动态性能。