水力发电系统是一类具备非线性、耦合性和随机性等特点的复杂非线性动力系统,系统中的机械、电磁和水力等因素彼此之间相互影响、相互制约。完整的水力发电系统包含水轮发电机系统、引水系统和调速控制系统,这三个重要子系统之间虽然具有不同的物理属性,参数的量级也不尽相同,但通过系统内部的耦联形成一个统一运行的水-机-电耦合系统。其中任意子系统的状态发生变化,均会通过耦联机制对整个水力发电系统产生影响。以水力发电系统为研究对象,考虑到其作为典型的水-机-电耦合系统,受到干扰后,系统的稳定性和动态响应随时间推移会发生变化。将实际中影响机组稳定运行的扰动转化为激励的形式进而引入到模型中,分析不同激励下水力发电系统运行的稳定性和动态特性。本论文研究的主要内容和结果如下:(1)水轮发电机组的稳定性可以用机组的振动、摆度以及压力脉动这些参数进行表征,其中振动是是衡量机组稳定性最直接、最重要的指标。影响水力稳定性的因素相对比较复杂,尾水管涡带是影响水力发电系统稳定性的关键因素之一。为了深入研究水力发电系统在压力脉动影响下的稳定性与振动特性,基于水轮机调节系统与轴系耦联关系,建立包含调节系统与轴系的耦合动力学模型并引入尾水管压力脉动作为水力激励。揭示了系统不同组成要素之间的非线性耦合关系及不同机械系统参数对系统振动特征的影响规律。研究成果为探究压力脉动影响下的稳定机理提供一定的理论参考。(2)时滞现象经常出现在许多实际机械和电气系统中,如电网、过程控制系统和工程系统。虽然在许多工程实践中,时间延迟很小,但对非线性系统的稳定性和可控性仍有很大的负面影响。考虑到机械系统中惯性和间隙的影响,将时滞通过系统参数引入到水轮机调节系统中,利用数值模拟分析不同时滞对水轮机调节系统的稳定性的影响规律。系统在运行过程中不是一直稳定在单一工况点,而是根据网侧需求不断的进行负荷调整和工况转换,传递系数在这个过程中是不断变化的,选取与传递系数关系密切的中间变量e转化为周期激励,研究了不同时滞与不同激励强度耦合下的系统动态响应,并揭示系统随激励幅值和时滞增大过程中的失稳机理。(3)水力发电系统的稳定性受到水力发电系统的内部特性以及外部的运行条件的共同影响,内部因素与外部因素相互作用,相互影响,会出现明显的随机性。考虑水轮机会受到压力随机波动、传动结构的失效以及机械系统的固有误差的影响,在水力发电系统中的轴系模型中引入内外随机激励,并将其从传统的Lagrange体系转换到能量体系,把内外激励影响下的水力发电系统随机问题转化为对单一因素(能量)的分析。运用随机平均法把水力发电系统的随机模型用一维扩散过程来表示,运用边界分析法对系统的随机稳定性进行分析,通过确定安全域和对可靠性函数的计算,对水轮发电机的稳定性和可靠性进行了研究。