水电具有启停迅速、调度灵活、运行成本低等特点,其特性适用于改善风电和光电所带来的电网波动性和随机性问题,从而保证电力系统的安全稳定运行。当水力发电系统执行调峰调频任务时,无法规避如启停机、增减负荷、甩负荷等一系列过渡过程。在此过程中会产生较大的负荷变动,使水轮机、调速器、压力管道等系统参数不断变化,甚至处于异常状态,严重威胁水电站运行的安全与稳定。因此,本文选取突增负荷过渡过程这一典型工况,建立水力发电系统突增负荷非线性耦合模型,探究水力发电机组在突增负荷过渡过程中的振动特性和运行特性并优化水力发电系统参数,从而提升水力发电机组在过渡过程中的运行稳定性。论文主要研究内容和结论可概括为以下三个方面:（1）建立水力发电系统突增负荷非线性耦合模型。首先基于特征线法建立压力引水系统模型,并通过机组转速、流量等运行参数将水轮机模型、发电机及负载模型、调速器模型等耦合其中,最终建立水轮机调节系统模型。其次考虑水-机-电耦合振源作用,建立水力发电机组系统结构模型。最后基于系统内部结构特征与外部关联机制,将水轮机调节系统模型和水力发电机组系统结构模型进行非线性耦联,得到水力发电系统突增负荷非线性耦合模型。依据中国某真实水电站负荷变动试验以及中国水力发电机组振动标准,将仿真结果与其对比,验证了所建模型的合理性与正确性。（2）探究水-机-电耦合振源对水力发电机组系统突增负荷振动特性的影响。基于所建立的水力发电系统突增负荷非线性耦合模型,探究不同水力因素、机械因素以及电磁因素对机组系统突增负荷非线性动力学行为的影响。研究结果表明,相较于机组稳态工况,机组系统在大波动突增负荷过渡过程中的振动幅值出现骤增现象。其中,水力因素决定了整个机组系统在突增负荷过渡过程中振动幅值变化的整体趋势,最大振动幅值与突增负荷过渡过程前相比提高了69.95%。突增负荷量、转轮叶片出口流动角偏差、质量偏心、励磁电流的增大以及导轴承刚度、定转子平均气隙的减小,都将引起机组系统不同程度的异常振动和显著的轴心轨迹紊乱现象。（3）探究系统结构-工况-控制参数对机组突增负荷运行特性的影响与参数优化。基于前期所建立的模型,对比水力发电系统不同结构-工况-控制参数对于机组系统突增负荷下各运行特性的影响程度并对以上分析的各项参数进行敏感性分析。最后,建立多目标粒子群算法,将调速控制参数进行优化,对得到的帕累托解集做出分析,找到更优的参数取值以提升系统的控制性能。总体来讲,管径比、调压室到上游水库的距离、初始负荷、特征水头、比例增益的减少以及积分增益的不断增加都将导致机组系统稳定性的降低,且各参数对不同调节性能指标的敏感性程度也不同。经优化后的调速控制策略相比原始策略在调速器调节性能上有了很大的改善。综上所述,本文围绕水力发电机组在过渡过程中的稳定性问题,建立了水力发电系统突增负荷非线性耦合模型。根据此模型探究了机组系统在大波动突增负荷过渡过程中的非线性动力学行为、分析了调节系统参数对于机组突增负荷运行特性的影响程度并建立了多目标粒子群算法,将调速控制参数进行优化以提升系统的调节性能。以上研究为建立水力发电系统精细化暂态模型提供合理的理论参考并对进一步探究机组系统振动问题的内在机理、改善机组运行特性以及提高水力发电机组运行的高效性和稳定性具有重大意义。