水力发电系统主要由水轮发电机组、控制系统和压力引水管道组成,其主要功能是产生并向电网输送电能,以及调节电网负荷波动,保证供电质量与安全。随着高水头、大容量水电机组的建成与投运,水力发电系统暂态稳定性成为保证水电站高效运行的关键。典型的大波动暂态过程包括甩负荷、突增/减负荷和开/关机过渡过程,在这一过程下系统水-机-电特性动态变化,对机组运行产生不利影响。因此,非常有必要针对不同压力引水管道布置形式(单机单管和一管多机),建立大波动过渡过程下水力发电系统非线性动力学模型,分析系统动态运行特性;从能量角度出发,将水力发电系统纳入到广义哈密顿理论框架下,尝试用哈密顿理论描述系统动态特性。总结整个研究过程,本论文的主要内容包括以下几方面:(1)水力发电系统大波动暂态非线性建模。选取单机单管布置方式混流式水力发电系统为研究对象,考虑系统水机电非线性耦合特性,由其本质抽象出系统在不同大波动暂态过程下的动态演进,建立各典型大波动暂态工况下水力发电系统非线性数学模型。选取一管多机水力发电系统为研究对象,考虑共用管道水力耦合直接影响水轮发电机组运行特性,建立大波动过渡过程下一管多机水力发电系统复杂非线性数学模型,分析机组稳定性以及管道间相互影响规律。对比分析验证模型正确性。(2)水力发电系统动态演化机理与暂态特性研究。基于所建立的水力发电系统大波动暂态模型,运用动力学演化理论,并结合工程实际,分析和研究不同大波动暂态工况下系统动态运行特性;从系统科学角度出发,全面阐释水力发电系统失稳时的动力学特征,揭示其失稳时内在的动力学机理和特征;数值模拟出典型大波动暂态过程下系统动态参数对稳定性影响规律,给出系统转速、水头和力矩等关键影响指标的动力学演化规律。(3)水力发电系统暂态哈密顿模型的转化。考虑到非线性系统的复杂性给常规微分方程建模并研究水力发电系统稳定问题带来困难,故从系统能量产生、转换与耗散角度出发,利用正交分解实现方法,将水力发电系统纳入到广义哈密顿理论框架下,给出暂态哈密顿能量函数表达式,分别建立单机单管和一管多机布置形式下水力发电系统大波动暂态哈密顿数学模型;基于系统内部结构特征与外部关联机制,调查系统暂态运行特性。