水电机组作为电力系统的重要组成部分，因其承担着调峰调频、旋转备用、事故备用、负荷调整等关键任务，成为保障电网安全稳定运行和高质量供电的重要设备。由于水轮机调节系统是一个集水力、机械和电气为一体，同时还具有非最小相位和参数时变特性的复杂非线性系统，使得系统模型建立和控制参数整定较为困难，开展水轮机调节系统精细化建模及调速器控制参数整定方法研究，显著改善水电机组调节品质，确保电网安全可靠运行已成为一个迫切需要解决的问题。为此，本文通过深入分析水轮机调节系统特性，以真实水轮发电机组为对象，结合现场试验和实测数据，采用模块化建模方法建立了水轮机调节系统精细化模型；在此基础上结合根轨迹法、智能优化算法以及鲁棒控制理论，进一步开展水轮机调速器控制参数整定方法研究，构建了完整的调速器控制参数整定体系。本文工作对改善水轮机调节系统稳定性、提高水电机组控制性能，具有重要的理论意义和显著的工程应用价值。　　本文主要研究工作和创新成果如下：　　（1）分别从水机、电力和控制子系统三个方面详尽分析了水轮机调节系统特性，在MATLAB/SIMULINK仿真平台上，以锦屏二级水电站7、8号机组为对象，构建了水轮机调节系统精细化模型，并由此开展各个工况下的仿真研究，验证了模型的有效性，为调速器控制参数整定研究奠定重要的模型基础。　　（2）分别运用D-分割法和状态方程的系统矩阵特征值，对水轮机调节系统在孤网和并网模式下的稳定性进行深入研究，通过分析总结系统稳定区域在不同特征参数下的变化规律，揭示出各个特征参数对系统稳定性的影响，从而进一步理解和认识水轮机调节系统的稳定特性，为控制参数整定问题提供重要的视角和切入点。　　（3）针对水轮机调速器控制参数整定的研究需要，提出新型高效的约束优化算法——基于粒子群优化的增广拉格朗日算法。该算法将粒子群优化无缝衔接至增广拉格朗日算法的内循环中，利用其全局搜索能力确保惩罚函数一致收敛到最优解；同时，基于种群的可行性信息提出了单调更新策略和局部优化过程，有效改善了算法的收敛速度和精度。一系列基准函数测试和工程应用实例验证了该算法的可靠性和实用性，从而为调速器控制参数整定提供必要的数学工具。　　（4）以系统线性模型为基础，利用根轨迹法研究水轮机调速器控制参数的最优整定方法。结合线性回归和曲线拟合技术，通过理论推导提出最优控制参数推荐值的一般表达式，可直接通过系统五大特征参数（水流惯性时间常数、机组惯性时间常数、接力器反应时间、永态转差系数和发电机综合自调节系数）计算最优控制参数。由于特别考虑了执行器的动态特性，使得该公式比经典推荐值更具实用性和通用性。　　（5）在系统非线性模型的基础上，研究基于无约束优化的最优调速器控制参数整定方法。通过确定时间乘以偏差绝对值积分指标作为目标函数，从而将最优调速器整定问题转化为无约束优化问题，同时综合人工鱼群算法良好的全局搜索能力和蚁群优化算法收敛精度高的特点，提出一种改进型人工鱼群算法对优化问题进行求解。该整定方法能够在任意工况点对水轮机调速器进行最优整定，使系统获得优异的动态品质。　　（6）针对水轮发电机组在工况变化过程中具有特征参数大范围摄动的特点，分别从参数不确定性和动态不确定性两个方面建立了水轮机调节系统不确定性模型，并以此为基础，研究基于约束优化的鲁棒调速器控制参数整定方法。根据系统对动态品质、鲁棒稳定和干扰抑制性能的要求，运用鲁棒控制理论归纳出结构奇异值和诱导范数约束条件下的最优积分指标问题，以求取鲁棒调速器控制参数。该方法整定的鲁棒调速器在较广泛的工况范围内都表现出满意的调节品质，显著增强了系统对工况变化的鲁棒性。