水轮机调节系统是集水机电于一体的复杂多模块化的非线性最小相位系统。在电站实际运行中,水轮机调节系统的稳定运行受机组振动、过水系统中的水锤现象、电信号传递延迟以及压力水头波动的影响。新型能源发电形式在电网中占比的日益突出,对电力系统复合能源下供电侧出力变化的快速调节有了更高的要求,水电站所承担的电力系统调峰、调频任务也将变得更加艰巨。本文将非线性自抗扰控制应用于时滞水轮机调节系统中,基于系统模型和自抗扰控制理论框架,研究自抗扰控制器在水轮机调节系统不同工况下的稳定性和抗扰性能。研究的主要内容如下:（1）刚性水击下的时滞线性水轮机调节系统的非线性自抗扰控制策略研究。首先,考虑一阶发电机转子模型,建立具有机械时滞的线性水轮机调节系统。根据坐标转换原则,将线性水轮机调节系统转化为积分器串联标准模型。其次,依据转化后的模型,将机械延迟看作系统内部扰动,设计扩张状态观测器;为确保观测器能输出高精度的给定信号,合理选取非线性函数及安排信号提取过程;设计状态误差反馈控制,实现控制系统的闭环控制。将三个环节组合设计非线性自抗扰控制器。最后,数值模拟分析所设计控制器在不同工况下的有效性。（2）单机单管下非线性水轮机调节系统的非线性自抗扰控制稳定性研究。首先,采用反馈线性化理论分析控制输入与系统输出间的关系,实现模型的线性化转换。其次,对控制器各个环节的非线性函数进行分析和设计,设计适合于非线性系统的自抗扰控制器。此外,基于间接Lurie系统和Popov-Lyapunov鲁棒稳定性理论,对含有发电机负荷波动的时滞非线性水轮机控制系统进行稳定性分析。仿真验证,所设计非线性自抗扰控制器的有效性。（3）时滞水轮机调节系统的改进分数阶自抗扰控制研究。首先,传统观测器中非线性环节包含符号函数,本文提出一种能平滑过渡的非线性函数,抑制状态信号的抖振现象。将函数用于扩张状态观测器中,并对新型扩张状态观测器进行收敛性分析。其次,基于分数阶微积分理论,将两个可调参数引入误差反馈控制律中,扩大控制器的稳定域。三者结合提出一种适用于非线性水轮机调节系统的改进分数阶自抗扰控制器。最后,仿真分析观测器的观测精度和控制器抑制抖振的效果,验证所设计控制器的优越性和抗干扰性。