随着我国光伏发电、风力发电、核能发电等可再生能源在国家电网中所占比例不断提高,抽水蓄能电站作为一种非常有效的调节电源在整个电力系统中的作用和重要性越来越明显。水泵水轮机调节系统通常被视为抽水蓄能电站重要组成部分,其稳定性与电站的安全稳定运行息息相关。本文先从多时间尺度角度出发,研究了较水泵水轮机调节系统简单的传统水轮机调节系统在不同调节参数下动力学特征和稳定性。然后针对抽水蓄能电站运行过程中存在的电网频率扰动及负荷增减变化等复杂非线性特性,将其视为不同激励分别建立相应水泵水轮机调节系统数学模型,并对其进行稳定性研究和分析。论文主要研究内容及结论如下:(1)通过引入周期变化的电网频率扰动作为周期激励并选择适当参数,建立包含两时间尺度即快慢耦合条件下水轮机调节系统数学模型。运用分岔图、时域图和相轨迹图等方法研究传统水轮机调节系统(原自治系统)和周期激励下水轮机调节系统(非自治系统)在不同调节参数下动力学特征和稳定性。此外,探究不同周期激励振幅下系统簇发现象及其对系统稳定性影响。结果表明:两时间尺度下的簇发现象对水轮机调节系统的稳定性具有很大的影响,且随着周期激励的振幅增大,系统呈现的周期性的簇发现象越来越剧烈,对系统稳定性的不利影响也增大。(2)通过模块化建模方法建立水泵水轮机调节系统在水轮机工况运行时非线性数学模型,对抽水蓄能机组在相对高、中、低水头不同工况点进行理论计算和数值模拟。结果表明,在不同负荷增减激励的情形下抽水蓄能机组的各项性能在相对高、中、低水头工况点运行的变化规律具有一定的相似性,即在相对高水头工况点运行时更为不利。负荷增减变化激励对系统有很大的影响,在减小负荷变化激励时系统调节参数稳定域范围更加宽广。(3)针对水泵水轮机调节系统出现的电网频率扰动呈随机性特点,将相应随机参数变量作为随机激励引入到抽水蓄能机组相对转速偏差表达式,建立水泵水轮机调节系统随机数学模型。利用正交逼近法将系统的随机数学模型约化为确定性数学模型,通过不同随机强度下系统数值仿真验证确定性数学模型的有效性。此外,利用上述数学模型,借助分岔图研究随机激励强度一定情况下,抽水蓄能电站不同水头和不同导叶开度下稳定性特性。结果表明,随机激励强度增强对水泵水轮机调节系统稳定性有不利影响;相对高水头和相对导叶开度较小的工况点对随机激励的抗干扰能力更为显著。(4)针对水泵水轮机调节系统泵工况断电暂态过程建立三种不同导叶关闭规律下数学模型,进一步地利用分岔图和时域图分析三种导叶关闭规律下动态特性。结果表明,导叶关闭规律对系统在泵工况断电暂态过程的稳定性存在着极其显著的影响;在泵工况断电暂态过程中导叶采用两段式关闭规律情况下,第一段导叶关闭速率适中更为合适。