随着我国电力工业的迅速发展,电力系统规模不断扩大,已发展为大区互联电网。互联电网有利于提高发输电的运行经济性和可靠性,但多个区域电网互联有可能引发低频振荡现象。电力系统的低频振荡过程具有较强的随机性与非线性特征,对电力系统低频振荡动态特性进行分析不仅可以清晰描述出系统的非线性与时变特征,而且能够揭示振荡模式和传播特性。有效跟踪系统的振荡模式,可准确预测系统的不稳定现象,为系统分析与紧急控制提供重要参考。然而,动态过程中的低频振荡模式变化多样,振荡过程复杂多变,且响应过程常夹杂着各种外部噪声干扰,导致现有的一些低频振荡动态特性分析方法效果欠佳。为此,研究区域互联电网低频振荡动态特性分析新方法具有重要的理论与实际应用价值。本文结合现代信号处理方法,将新型方法应用于低频振荡模态参数辨识、低频振荡主导模式检测、低频振荡模式非线性相关作用研究。主要内容如下：首先,介绍了低频振荡研究现状,包括低频振荡现象概述、产生机理以及主要分析方法的综述。从3个方面概述了WAMS系统在低频振荡分析中的应用,包括参数辨识、安全预警、扰动源定位。介绍了原子分解理论的基本概念,并着重阐述影响原子分解算法的两大因素：原子库的选取与匹配追踪优化算法。基于原子分解理论提出了低频振荡模态参数辨识新方法,并详细介绍了Gabor原子转换到振荡原子的过程。为进一步提高模式辨识的效率,提出了用于低频振荡模式时变特性追踪的模态原子法。将粒子群优化算法应用于原子分解的迭代优化过程中,通过比较粒子的最佳适应值,选取最能反映振荡模式特性的模态原子,从而实现将模态原子的选取过程转化为利用粒子群优化算法求解函数最优化问题。模态原子法能自适应反映低频振荡模式时变特性,具有较强的抗噪性和鲁棒性。阐述了HHT理论的基本概念与原理,包括EMD的基本原理、IMF的定义及Hilbert变换理论。详细介绍与分析了常规HHT存在的不足,包括：采样率设置、循环终止条件、包络线拟合、边界效应、模态混叠等问题,并介绍了各种改进措施。提出一种混合改进的HHT方法,该方法采用前置形态滤波单元去除信号高频噪声干扰,利用模态密集度指标判别信号的模态混叠程度,加入逆衰减变换因子提高模式频率分辨率,避免了频率偏差法中因偏差频率选择不当造成的不利影响,进一步增强EMD分解的有效性。在克服边界效应问题上,采用鲁棒性较好的镜像延拓方法,并与Hermite插值方法相结合,准确求取包络线。EMD分解的终止条件采用自适应的相关系数法,当不满足阈值要求则分解过程终止避免虚假分量的产生。该方法能有效克服常规EMD的不足,并将该方法应用到电力系统低频振荡模式参数辨识中,算例分析表明了该混合改进HHT方法的有效性与可靠性。对典型的低频振荡主导模式检测方法进行总结,详细介绍了特征值法、正规形法、Prony能量法、EMD信号能量法等的基本概念与原理。提出一种新型低频振荡主导模式检测方法——原子分解能量熵法。根据振荡信号特点,选取衰减正弦量模型表示原子库。由功角轨迹,通过原子分解法从原子库中辨识出各模态参数,在辨识过程中计算原子分解能量熵,通过比较能量熵大小识别出低频振荡主导模式。该方法不受系统阶数影响且具备较强的数据处理能力,能揭示各模式间复杂的动态特性和非线性作用,可用于低频振荡在线分析。仿真算例验证新方法的正确性和有效性。介绍了统计信号处理中的高阶谱理论,该理论可保留信号的内在信息特征,即信号的幅度信息和非最小相位信息,能够用于分析系统的非线性过程。重点介绍了高阶谱的基本理论与性质以及高阶谱估计的两类方法：非参数法与参数化法。为克服特征分析法无法反映大干扰下强非线性系统所激励的复合模式,而传统的非线性数值解法存在截断误差和计算效率低的缺点,提出一种用于分析低频振荡模式非线性相关作用的新方法。该方法将高阶谱理论中非参数直接法应用于低频振荡模式分析,通过双谱分析及双相干系数辨识模式间的二次相位耦合信息,能够定量分析模式间的非线性耦合程度,为分析强非线性系统的稳定性及动态特性提供了一种新的有效途径。数值仿真结果验证了该方法的实用性与有效性。最后,对全文的研究成果进行总结,并对下一步的研究工作进行了展望。