随着水电事业的发展，水电站的布置和运行要求越来越复杂，复杂引水发电系统的布置和特殊型式的带调压室的水电站逐渐兴起和引入。其中，超长引水隧洞和变顶高尾水洞水电站已成为水电能源开发一类重要型式。无论是何种型式的水电站，就引水发电系统的水机电联合过渡过程而言，不论是从调节保证、还是从稳定性和调节品质以满足电站安全稳定运行和供电质量的要求，都需要设置调压室。关于调压室最重要的两个研究方面是：调压室的设置条件和调压室的临界稳定断面。前人对于调压室设置条件和临界稳定断面的探讨，一方面其基本方程和数学模型大都是线性的，其目的是简化模型，因此不能全面的反映带调压室水电站的特性和问题。另一方面，调压室临界稳定断面的公式多以托马公式为基础，包含很多假定，前人在其基础上提出了不断改进的公式，并且大都基于常规有压尾水洞水电站。如今复杂型式的水电站如超长引水隧洞或是变顶高尾水洞电站，包含了复杂流道水力系统强烈的非线性特性及复杂水机电耦合特性。尤其是变顶高尾水洞和下游调压室联合作用，在尾水系统中，变顶高尾水洞的明满混合流和下游调压室的水流振荡同时被涉入，水电站的稳定性问题相比而言甚加复杂。因此，研究考虑复杂流道水力特性的调压室设置条件和调压室临界断面、变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件和下游调压室的临界稳定断面有着十分重要的意义。
　　本文基于水轮机调节系统的稳定性，从水电站的基本方程出发，在分析总结前人工作的基础上，对考虑压力管道水头损失非线性的调压室设置条件、考虑引水隧洞水头损失和机组等出力非线性的调压室临界断面、变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件和下游调压室的临界断面进行了深入的研究。论文的内容涵盖如下的4个方面：
　　1基于水轮机调节系统稳定性考虑压力管道水头损失非线性的调压室设置条件的研究
　　首先建立了考虑压力管道水头损失非线性的水轮机调节系统的状态方程模型。其次通过Hopf分岔理论推断出了基于水轮机调节系统稳定性考虑压力管道水头损失非线性的调压室设置条件。最后，进行了调压室设置条件的特性分析。对比分析不同的设置条件揭示了压力管道水头损失非线性的机理。得出结论：调压室设置条件有3个不等判别式，第3个是具有决定性作用的判别式。判别式曲线边界上的水流惯性时间常数Twt0是Twt0临界值，即[Twt0]。当Twt0小于[Twt0]，不需设置调压室。否则，就需要设置调压室。
　　2考虑引水隧洞水头损失和机组等出力非线性的调压室临界断面的研究首先建立了推导调压室临界断面的四个数学模型。其次利用Hopf分岔方法分析了水电站的稳定性。以水电站临界稳定状态为基础，推算了调压室临界断面的表达式。最后，对不同的调压室临界断面公式作出验证和比较。结果表明，在增负荷工况下，引水隧洞水头损失和机组等出力非线性均可降低调压室的临界断面值，有利于电站系统的稳定运行。在减负荷工况下，规律则相反。在增负荷和减负荷两种工况下，引水隧洞水头损失非线性对调压临界断面的影响远大于机组等出力非线性的影响。考虑引水隧洞水头损失的非线性和机组等出力非线性的调压室临界断面公式可以表示为放大系数乘以托马公式，其精度高于托马公式。
　　3基于稳定性的变顶高尾水洞水电站下游调压室设置条件的研究
　　首先推导了变顶高尾水洞的水轮机调节系统的数学模型。其次以李雅普诺夫第一法分析了水轮机调节系统的稳定性，基于稳定判据推导出了变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件。最后，分析了设置条件的特性和影响因素。通过对比分析，揭露了基于稳定性的变顶高尾水洞和有压尾水洞水电站下游调压室设置条件的异同。得出结论：基于稳定性的变顶高尾水洞水电站下游调压室的设置条件由几个不等式判据组成，其中一个判据决定了水轮机调节系统的稳定域和水流惯性允许值。不等式端点对应的压力管道水流惯性值是可以不设下游调压室的水流惯性允许值。变顶高尾水洞斜率取较小值更合理，其断面形状对设置条件几乎没有影响。变顶高尾水洞的水流惯性时间常数允许值大于有压尾水洞的水流惯性时间常数允许值。
　　4变顶高尾水洞水电站下游调压室临界稳定断面的研究
　　首先，推导出基于机组等出力假定的水力暂态过程非线性简化模型和完整模型。其次根据李雅普诺夫第一法，得出了水电站运行的稳定判据，确定了下游调压室临界稳定断面代数判据，由此得出了两种数学模型下游调压室的临界稳定断面公式。最后验证了临界稳定断面计算公式的正确性，阐明了不同临界稳定断面公式的异同及适用性，并揭示了机组等出力假定和变顶高尾水洞对临界稳定断面的影响机理。结果表明，基于机组等出力假定的变顶高尾水洞水电站下游调压室的临界稳定断面公式是一个解析式且形式简单。完整模型下的临界稳定断面表达式不是解析式且形式复杂。前者公式精度高，形式简明，建议优先使用。变顶高尾水洞可以提高电站系统的稳定性，减小下游调压室的临界断面。