近年来随着国家科技水平的快速发展，工业用电需求量的日益增加，电网的峰谷差日趋增大，使得调频或补偿电网尖峰负荷的问题日益突出。为了更好地提高电网的经济效益以及保障电网安全稳定的运行，我国正在大力发展抽水蓄能电站的建设。相比传统水轮发电机而言，抽水蓄能机组启停快、反应迅速，在电网站中主要担任调峰填谷、调频、调相、紧急备用等任务。然而抽水蓄能机组结构复杂，运行工况切换频繁，尤其在低水头工况下极易产生机组振动，造成电网频率波动。因此，需要加快抽水蓄能机组调节系统稳定运行领域的研究，改善机组的控制性能。
　　为提高低水头工况下抽水蓄能机组频率的控制品质，降低暂态过程中的水击压力波动。本文在考虑弹性水击的基础上，建立了非线性抽水蓄能机组调节系统模型，提出了一种基于模糊理论的模糊分数阶比例-积分-微分控制器。同时，围绕控制器的优化展开深入研究，引入多目标的优化策略，采用多目标引力搜索算法优化控制器参数，改善抽水蓄能机组调节系统的调控品质，提高抽水蓄能机组在低水头运行时的稳定性。论文的主要研究成果与创新如下：
　　(1)围绕抽水蓄能机组低水头运行稳定性问题，建立了机组调节系统遭受频率扰动和负荷波动的非线性模型，分析了机组在低水头工况下受到频率扰动和减负荷的暂态特性。由于抽水蓄能机组调节系统是一个复杂的非线性系统，对于引水管道较长的抽水蓄能电站，必须考虑弹性水锤对管道压力的影响。因此，本文考虑了引水系统的管壁弹性和摩擦力，采用特征线法建立引水系统模型。进一步，考虑了抽水蓄能机组导叶开度变化相对值与伺服电机位移相对值之间存在的非线性关系。
　　(2)基于模糊理论，提出采用一种适合抽水蓄能机组低水头优化运行的模糊分数阶比例-积分-微分控制器。当抽水蓄能机组调节系统在低水头条件下进行调频时，机组的单位速度值相对较大，容易进入“S”特性区域，引起低频振荡，提出一种新型的控制器来代替传统的比例-积分-微分控制器具有一定的研究意义与工程应用价值。与传统的整数阶比例-积分-微分控制器和分数阶比例-积分-微分控制器相比，模糊逻辑控制已被证明是许多复杂非线性系统，甚至非解析系统的一种成功的控制方法，能有效提高调节系统运行的稳定性。
　　(3)引入多目标优化策略与智能优化算法，整定模糊分数阶控制器参数。在抽水蓄能机组一次调频与减负荷工况的过渡过程中，优化控制主要考虑两个因素：一是抽水蓄能机组转速的稳定时间，反映了频率的调节时间；二是转速的波动程度，反映了调节系统中水击压力的变化。为了获得调节时间与水击压力变化之间的综合指标，研究采用了多目标引力搜索优化算法来优化控制器参数，进而获得最优的控制效果。