深入地研究水电站中尾水明渠和变顶高尾水洞的工作特性,并通过对它们的合理使用,达到取代或者缩小尾水调压室、满足水电站调节保证和机组稳定运行的要求,对工程以及科学技术进步都有明显的积极作用。本文从这两类尾水系统水力特性中最显著的特点(即暂态过程中尾水系统会产生明满流现象)出发,针对其水轮机调节系统,以如下2个关注点为目标：(1)水电站设计阶段：从理论分析的角度,揭示明满流尾水系统水电站水轮机调节系统的暂态特性(稳定性与调节品质),为尾水明渠、变顶高尾水洞的设计及二者与尾水调压室的布置优化与联合运行提供理论依据；(2)水电站调试运行阶段：从数值仿真的角度,揭示明满流尾水系统水电站在水轮机调节系统控制下进行的调试试验(负荷调整试验、甩负荷试验)所展示的物理现象,完善其反演分析理论与方法,深入地了解变顶高尾水洞水力特性对机组运行影响,验证设计方案的合理性、数值仿真手段的可靠性。论文的主要内容包括以下3个方面：1明渠尾水系统水电站水轮机调节系统暂态特性研究提出了将有压管道与明渠非恒定流的控制方程进行分段线性化离散、以空间状态方程的形式写出指定断面输入量与输出量的响应关系的方法,将有压与明渠状态方程耦合,解决了明渠系统断面间水头和流量难于直接关联的难题。依据明渠尾水系统的空间状态方程,与其他子系统模型联合,得到用于稳定性和调节品质分析的动力系统模型,并重点分析了明渠尾水系统中水位波动对水轮机调节系统稳定性和调节品质的影响。结果表明：(1)本文提出的将有压流水击方程与明渠圣维南方程统一的弹性水击线性模型可以作为水系统子模型用来进行明渠尾水系统水电站水轮机调节系统的暂态特性理论分析。(2)无尾水调压室的水电站,尾水明渠对水轮机调节系统稳定性的影响很小；设尾水调压室的电站,尾水明渠的长度和水深均对水轮机调节系统的稳定性有较大的影响,且存在明渠长度的临界值,在其两侧,明渠长度对稳定域的作用相反。(3)无尾水调压室的水电站,尾水明渠对小波动的影响基本可以忽略；尾水明渠通过影响尾水调压室的水位波动影响小波动的调节品质,明渠的长度是主要因素,存在某一特定的明渠长度使得调压室水位波动衰减较快,有利于提高调节品质。2变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统暂态特性研究首次将Hopf分岔理论应用到变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的稳定性研究,成功解决了因变顶高尾水洞明满流分界面来回运动而带来的水轮机调节系统非线性问题,及由此带来的系统的稳定性难于理论分析的问题。首先建立了包含准确描述变顶高尾水洞明满流分界面运动特性的改进引水系统动力方程在内的水轮机调节系统非线性数学模型,然后阐释了Hopf分岔方法在该特殊非线性系统上的应用流程,同时揭示了变顶高尾水洞的稳定性工作原理、相关因素对稳定性的影响。结果表明：(1)变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的Hopf分岔是超临界的。(2)变顶高尾水洞水流惯性变化在机组减负荷时对系统的稳定性有利、增负荷时对系统的稳定性不利；明流段水位波动的作用对于系统的稳定性在增、减负荷下都是有利的。(3)负荷阶跃值相同时,负扰下的系统稳定域大于正扰；矩形、城门洞型和圆型三种断面中,圆形断面对系统的稳定性最有利、矩形断面最不利；随着尾水洞内水深的增大,负扰下系统的稳定域逐渐减小,正扰下系统的稳定域逐渐增大。3变顶高尾水洞水电站暂态过程反演分析针对变顶高尾水洞水电站,完善了该类电站的反演分析计算理论与方法,并依托某已建水电站,建立了反演分析的数学模型,对调试阶段的甩负荷试验工况和负荷调整试验工况进行了完整的反演计算与分析。结果表明：(1)本文反演计算所用的数学模型与模拟手段能够较准确合理的反映真实电站的暂态过程,是可行的。(2)经过反演分析的验证,算例电站在甩负荷与负荷调整暂态过程中的机组调节保证参数、水轮机调节系统的稳定性与调节品质均满足要求,说明该电站在理论分析、数值模拟及模型试验等的一系列论证下开展的设计是正确的、合理的。(3)本文的反演分析流程可作为标准流程用于其他同类水电站的反演分析。(4)本文的反演分析理论与方法,与理论分析、数值仿真和模型试验一起构成了变顶高理论与应用关键技术研究的四种手段,四者相辅相成、缺一不可,共同推进变顶高理论的基础研究与应用推广。