引水系统、水力系统以及电气系统是水电站水力发电系统的三个重要组成部分,各系统间通过内变量的耦联形成包含不同物理特征的复杂非线性动力系统,其内部耦联特性和动力学响应机制直接影响水力发电系统的稳定性和机组暂态运行的调节品质,对系统的运行安全具有重要理论和工程意义。本论文结合国家自然科学基金重点项目"水电站的水机电耦合研究"(编号:50839003)开展了水机电耦合问题的理论描述、建模理论、计算方法以及稳定性控制等方面的系统研究,取得了完整且具有创新的理论成果。主要研究内容和成果如下。(1)研究了复杂引水系统基于刚性水击、弹性水击和耦合水击模型的理论描述和动态特征建模,建立了包括隧洞动态、调压井动态、压力钢管动态以及水轮机动态的复杂水力系统耦联的控制方程,提出了基于系统内特性关联的非线性水轮机模型。通过复杂水力系统特性分析,引入系统动态方程,并对系统动态方程进行扩展和模型有效性对比分析,建立了描述带岔管的一管多机系统机组间相互水力干扰的动态模型及水力解耦的分析方法,实现了水电站隧洞-调压井-压力钢管(主管+岔管)-水轮机系统的多机耦联的理论建模和暂态分析。(2)研究了水电站引水系统、水轮发电系统以及调速控制系统之间存在的内部耦联关系,并在哈密顿理论的统一框架下建模,构造了水机电系统的哈密顿函数,以哈密顿函数表征不同子系统间的能量输运关系,建立了复杂水力系统水机电耦联的理论模型。通过表征系统特征的结构矩阵和阻尼矩阵描述了各系统间变量的耦联关系和动力学特征,提出了各子系统间内部参数耦联的暂态分析方法,揭示了水力发电系统暂态过程与电力负荷扰动的关联机制和系统间动力学效应的输运机理。(3)研究了基于耦合水击模型的水机电耦联理论和建模方法,建立了基于耦合水击模型的水机电耦联模型,提出了基于水轮机综合模型特性曲线的耦联暂态分析方法。根据电力负荷变化特性,模型中的活动导叶和调速控制系统将以水轮机综合特性曲线为依据,自动跟踪电力负荷的变化特性,迭代完成水机电系统的暂态响应过程,获得各变量的暂态时程。数值算例表明,建立的理论模型和提出的计算方法能很好地反映水力发电系统暂态过程中各系统间的耦合动力学效应,并能有效预测暂态过程中各系统的参数变化量及变化规律。(4)研究了水电站水机电系统耦合作用下的稳定性及控制问题,基于系统的哈密顿函数构造了系统的Lyapunov函数,设计了给定输出条件下的镇定控制器。提出了基于哈密顿水机电耦合模型的结构矩阵注入修改、阻尼矩阵注入修改的控制原理和策略,设计了相应的控制器,实现了活动导叶对系统功率调节和频率调节的跟踪控制。仿真算例表明,提出的控制理论和方法能有效稳定系统的暂态振荡。