能源是支撑人类生存和发展的基础,随着我国国民经济的持续发展以及人民生活水平的不断提高,电力需求迅速增长,负荷峰谷差也不断加大,调峰能力不足已成为制约电力系统发展的突出问题。抽水蓄能电站以其削峰填谷的独特功能和快速响应调度要求的运行特性,在我国能源结构调整和发展布局中占据了关键地位。然而因其引水系统复杂布置、工况频繁转换、机组正逆向交替运行以及水泵水轮机固有的“S”特性不稳定运行区域,抽水蓄能机组水-机-电能量转换过程动力耦合效应日趋复杂,机组安全稳定运行所面临的问题日益突出。在此背景下,针对抽水蓄能发电系统安全、稳定与高效运行所面临的科学问题及工程技术难点,本文以抽水蓄能机组调节系统精确辨识建模和优化控制为切入点,在深入解析调节系统各环节复杂非线性特征的基础上,以非线性系统辨识理论、先进控制规律和智能优化算法为技术支撑,围绕抽水蓄能机组调节系统非线性建模、参数辨识及其不确定性分析、鲁棒模型辨识与多目标优化控制开展了深入研究,提出了抽水蓄能机组系统辨识-控制优化的一体化体系。论文的主要研究成果与创新如下:(1)综合研究了抽水蓄能机组调节系统各组成部分的建模理论与方法,重点解析了电液随动系统、水泵水轮机等环节存在的非线性特征,针对水泵水轮机全特性曲线“S”特性区域建模困难的问题,在引入改进Suter变换进行曲线预处理的基础上,提出一种基于自动编码器-偏最小二乘回归的极限学习机模型,实现了水泵水轮机全特性高精度建模;进一步,研究工作搭建了抽水蓄能机组调节系统非线性仿真计算模型,为系统的非线性辨识与优化控制研究奠定了基础。(2)针对抽水蓄能机组调节系统不确定性和强非线性特征引起的参数精确辨识难题,研究了基于智能优化算法的非线性系统参数辨识理论,引入回溯搜索算法并结合正交初始化技术、混沌局部搜索算子、弹性边界处理和自适应变异尺度系数策略,提出了一种改进的回溯搜索优化算法,实现了抽水蓄能机组调节系统非线性模型参数的高精度辨识。(3)为量化评估随机观测噪声和先验知识缺失导致的辨识结果不确定性,研究构建了基于贝叶斯理论的随机反演框架,将待辨识参数集与系统观测数据、理论模型、经验知识信息相结合,引入差分进化自适应Metropolis方法对待辨识参数的后验概率密度函数进行抽样和遍历,获得了包含参数解集不确定性信息的后验概率分布,能够直观的表达和评价辨识结果的不确定程度,也为现有参数辨识策略的改进和发展提供了新的思路。(4)针对抽水蓄能电站运行环境复杂多变,建模数据存在噪声和离群点干扰的特点,研究提出了一种抽蓄机组调节系统的稀疏-鲁棒-最小二乘支持向量机辨识模型,通过引入极大线性无关组实现了支持向量的稀疏化,降低了模型的复杂度,基于改进正态分布的加权函数增强了模型对噪声和离群点的鲁棒性;为进一步提高抽蓄机组调节系统模型辨识的精度与泛化性能,研究提出了模型结构和参数同步优化的设计思想,通过构建二进制-实数编码的混合回溯搜索优化算法实现了模型输入变量、核函数参数和正则化参数的整体优化,多组非线性系统辨识实验表明,所提HBSA-SR-LSSVM模型不仅辨识精度极高,同时具备良好的鲁棒性与泛化性能。(5)考虑到抽水蓄能机组调节系统传统PID控制规律对环境和工况变化适应性不足、中低水头空载运行容易受“S”特性区域影响产生频率振荡的问题,研究引入分数阶PID控制策略并构建了兼顾多个工况下控制平稳性、速动性和鲁棒性的多目标优化框架,为实现该优化问题的高效求解,研究提出一种基于拉丁超立方实验设计和混沌优化理论的改进多目标非支配排序遗传算法LCNSGA-III,多种工况试验结果表明,所提基于LCNSGA-III的多工况多目标分数阶PID优化控制策略能够有效改善抽水蓄能机组的动态响应性能、提高调节系统的控制品质和自适应能力。