我国西南地区横跨中国地形三大台阶,地势落差大且河流密布,是我国水能资源最丰富的地区。近20年来,西南地区相继建成以金沙江、澜沧江、雅砻江、乌江、大渡河、红水河等干流梯级水电站为代表的巨型梯级水电站群。这些梯级水电站群呈现出大规模、高水头、大容量、巨型机组、面临复杂调度需求,面临灵敏水力耦合等复杂特征。这些特征进一步加剧了西南地区水电优化调度问题约束建模与求解难度。为此,本文以西南地区水电优化调度突出的四个重难点问题,即高维耦合约束下的大规模水电站调度问题,高度非凸非线性特征曲线下的大规模水电站调度问题,灵敏水力耦合的梯级水电站调度问题、复杂不规则振动区的水电机组组合问题,作为主要研究内容,并从复杂约束建模和求解角度予以解决。主要成果如下:1.水电站调度时空耦合约束将各水电站各时段状态变量联结为一个整体,使大规模水电优化调度呈现出严重的“维数灾”现象。为解决该问题,首先采用惩罚函数法将原约束优化调度问题转化为以各水电站各时段水位作为优化变量的无约束优化问题。之后,采用逐步优化算法将原高维多阶段问题在时间耦合方向上解耦为若干低维两阶段子问题。转化后的两阶段子问题以水位为优化变量的无约束优化问题。之后引入改进的离散梯度下降法对该子问题进行求解。最后在西南地区澜沧江流域的应用结果显示该方法的高效性。2.西南地区巨型水电站非凸非线性特征曲线突出,增加了大规模问题求解难度。为此,首先利用约束聚合技术将水电站特征曲线聚合为单一的发电函数三维曲面约束。之后利用矩形栅格化技术将曲面栅格化,并采用SOS2约束建模方法对栅格化后的近似曲面建模。最后采用二进制分支模式对SOS2约束进行重构。在西南地区澜沧江流域的确定性优化模型和两阶段随机优化模型的应用展示了该方法的高效性。3.回水顶托是广泛存在于西南水电站群系统中的灵敏水力耦合现象。为实现对回水顶托约束的建模,将有回水顶托水电站非线性约束聚合为顶托等效动力函数四维超曲面约束,提出基于SOS2约束建模方法的顶托等效动力函数四维超曲面约束建模方法。在西南地区某受回水顶托影响的梯级水电站系统对算法进行了验证,结果证明了算法的有效和高效性。通过对比无回水顶托和有回水顶托模型计算结果说明考虑回水顶托效应的必要性。4.不规则振动区现象广泛存在于西南地区巨型水电机组之中,严重影响水电站和电网安全经济运行,成为制约西南水电安全经济运行的技术瓶颈。为此,提出基于几何关系约束表达的振动区约束,振动区模型误差约束以及振动区跨越约束的通用数学表达。并基于各约束通用数学表达,先后提出基于最优凸剖分和凸分析理论的不规则振动区自动建模方法,基于闵可夫斯基求和方法的振动区自动修正方法,以及基于图论的振动区跨越约束自动建模方法。上述模型在西南地区某含有不规则振动区的巨型水电站群的调峰模型进行验证,结果显示振动区问题相关约束均被有效考虑,充分发挥了水电的调峰能力。以上建模方法均由程序自动化实现,无需人工处理,适应于调峰、调频和电力市场化交易等一般性问题,具有广泛的适应性和通用性。