为增加电力系统稳定性,比例-积分-微分控制器(Proportion-Integral-Derivative Controller,PID控制器)以其运行机理简单、安装使用方便而受到电力行业的广泛关注,然而随着技术的不断发展也暴露出该控制器灵活性不足的问题。分数阶PID控制器控制能力强、灵活性较好,可在实数域内对系统输出进行灵活调控。为加快收敛速度、提高寻优精度以及增加全局收敛性,本文提出利用Levy变异的帝国竞争算法(Levy Mutation Imperialist Competition Algorithm,LMICA)对控制参数进行整定。针对互联弱交流系统的稳定问题,提出利用分数阶PID控制器分别对电力系统稳定器(Power System Stabilizer,PSS)以及分布式电站中的下垂控制器进行改进,从而进一步对互联电力系统中低频振荡问题和并网逆变器系统的稳定问题进行探索。本文具体内容如下:首先,介绍了分数阶PID控制器的控制原理及其在维持系统稳定性中所发挥的重要作用;分析了基于Levy变异的帝国竞争算法的优势。其次,为加强传统电力系统稳定器设计中抑制低频振荡的能力、提高其整定范围和控制能力,本文利用分数阶PID控制器在控制方面所具有的灵活控制能力和良好跟踪性能,设计了一套基于分数阶PID控制器改进的电力系统稳定器系统。同时利用LMICA对改进的电力系统稳定器系统进行优化整定,并在单机无穷大系统下对设计模型进行仿真。仿真结果表明提出的设计可以充分抑制电力系统低频振荡、灵活控制受控对象,具有很好的控制效果和鲁棒性。最后,本文提出了基于分数阶PID控制器改进的下垂控制模型。并利用LMICA对该模型的控制参数进行整定,验证所改进的下垂控制器可以有效适用于弱电网环境,分情景验证了改进后的模型具有良好的抑制低频振荡的能力,可以有效保证电网供电的可靠性。