水电机组在电力系统中承担着调峰、调频、调压等任务,对维护电力系统安全稳定运行和提高供电质量有着重要作用。由于水轮机调速系统是一个集合水力、机械、电气等多方面因素影响的非线性、非最小相位、复杂闭环系统,使得系统建模和控制较为困难,这也一直是相关研究和工程应用的热点和难点。在此背景下,分析水轮机调速系统运行机理,建立系统仿真模型,研究水轮机调速系统先进的参数辨识方法和控制策略,对确保水电机组安全稳定运行具有重要的理论意义和工程应用价值。本文首先深入分析水轮机调速系统各部分的运行机理和特性,总结出系统各部分的仿真模型,结合系统结构特点、不同工况条件和对象,建立了多种不同水轮机调速系统数学模型。在此基础上,结合子空间辨识理论、先进的智能算法,开展了水轮机调速系统参数辨识方法研究。利用多目标优化方法、分数阶控制理论、稳定域分析方法,设计并提出了高性能水轮机控制器及其参数优化方法。本文的主要工作和创新性成果如下:（1）针对水轮机调速系统各部分的运行机理和特性,总结系统各模块的线性和非线性数学模型,归纳不同模型的适用条件。在此基础上,考虑系统多输入多输出结构特点、不同工况条件等,搭建了四种常见的水轮机调速系统数学模型,为系统参数辨识和控制策略研究奠定基础。（2）针对闭环辨识中噪声因素影响较大的问题,研究、建立带有频率噪声的水轮调速闭环系统模型。引入子空间辨识理论,并在此基础上提出了基于粒子群参数优化的预测形式简约子空间辨识方法,通过空载仿真验证了该方法在带有频率噪声的水电机组系统参数辨识的可行性和优越性。参数的精确性是水轮机调速系统仿真可信的前提和基础,为此,提出一种高精度的改进型蚁狮优化算法,用于辨识水轮机调速系统六阶状态空间模型参数。仿真结果表明,所提方法克服了原方法易陷入局部最优的缺点,可有效辨识水轮机调速系统参数,且具有较高的辨识精度。为实现水轮机空载模型参数的高效辨识,提出一种改进型鲸鱼优化算法。以湖北省某水电站4号机组为实例对象,建立了空载工况下水轮机调速系统仿真模型。结合实测数据,实现了基于改进型鲸鱼算法的水轮机空载模型参数的快速、有效辨识。最后,从辨识对象、辨识结果精度、辨识速度等方面对PARSIM-K-PSO、IALO和IWOA这三种不同辨识方法进行比较和分析,探讨了其适用范围。（3）随着对水电机组控制性能要求的不断提高,需要在传统的PID控制器基础上开发出新的控制策略。为此,结合双微分PID控制器和分数阶理论,提出一种新型分数阶双微分PID控制器,采用基于混合变异算子的改进型多目标算法优化水电机组控制器参数,并通过仿真验证了所设计的控制器的有效性和优越性。（4）考虑到水轮机调速系统鲁棒性的要求,研究了水轮机控制器参数稳定域。利用分数阶模型描述能力强、应用范围广的优点,引入参数不确定项和时滞项,建立了水轮机分数阶不确定时滞系统,并对该系统模型下开展PID、分数阶PID、双微分PID和分数阶双微分PID控制器参数稳定域研究。运用边界理论和D分解法,研究了不同控制器稳定域问题、控制器参数对系统稳定域的变化规律。结果表明,分数阶双微分PID控制器稳定区域最大,鲁棒稳定性最好。