随着我国水力资源的不断开发,一些大型、特大型水电站相继进入设计、施工、运行阶段,这些水电站在电网系统中均是重要的骨干电源,同时也是电力系统动态负荷的主要承担者,占有重要的地位。随着水电机组容量在电网中所占比重的增大,调峰调频的任务也愈繁重,对电站本身的运行稳定性及调节品质要求愈高。因此,水电机组运行的稳定性及调节品质愈来愈受到关注。调压室的设置、水电站过渡过程及其控制策略均是影响水电站安全稳定运行的重要方面。本文在前人研究成果的基础上,就实际工程中遇到的新问题及理论上有待提高之处进行深入研究与探讨。论文的主要内容包括以下几个方面：1.水电站调压室设置条件研究(1)基于调保参数的下游调压室设置条件研究推导考虑尾水管真空度及机组转速上升两个调保参数的常规水电站下游调压室设置条件,即压力尾水道极限长度,并进一步推导压力尾水道允许[Tw]值计算表达式。推导抽水蓄能水电站下游调压室设置条件时,首先通过数值分析提出了能一定程度上反映机组特性及内在规律的假定,再根据水轮机特性曲线及飞逸线推导出影响尾水管最小压力值的流量快速减小阶段的流量变化时间Ts的计算式,继而推导出抽水蓄能水电站压力尾水道极限长度计算式。最后通过工程实例与其它判别条件进行对比分析,并对日本经验公式进行相应修正。(2)基于水电站运行稳定性的调压室设置条件研究在理想水轮机的前提下,分析了弹性水击模型下波速对稳定域的影响,得出按刚性水击推导基于水电站运行稳定性的调压室设置判据是可行的,继而在刚性水击模型下根据Routh-Hurwitz稳定判据推导基于水电站运行稳定性的调压室设置判别式。并将该判别式与董兴林(1980)提出的判别式、调压室规范中的调速性能判据图进行对比分析,得出调速性能判据图中两条曲线的函数表达式。同时分析了调速器参数对系统稳定性及稳定裕度的影响。(3)基于水电站调节品质的调压室设置条件研究在最优调速器参数的基础上推导了刚性水击、调速器PI调节下,机组孤立运行负荷阶跃扰动下系统所能达到的最优动态调节品质对应的机组转速波动方程,得出机组转速波动特征参数计算式,继而从理论上推导出满足调节品质的调压室设置条件。分析弹性水击及水轮机特性对调节品质的影响,并针对Tr／Tw<1.0水电站的调压室设置条件进行弹性修正。最后通过工程实例计算得出中、高水头水电站是否设置调压室的允许Tw值由调保参数来决定；而低水头水电站的允许Tw值则由水电站调节品质来决定。2.水电站过渡过程控制研究在考虑水道系统弹性、水轮机非线性特性的前提下,建立了水电站引水发电系统非线性数学模型,并编制相应计算程序,该程序适用于不同复杂布置形式的水电站机组动作全过程的仿真研究。并对水轮发电机组的起动、空载扰动、运行机组增减负荷、发电机突甩负荷及紧急事故停机过渡过程进行仿真研究,得出本文建立的引水发电系统非线性数学模型能够较为真实地模拟水轮机工况间转换的过渡过程,具有一定的应用价值。3.基于微分几何的水电站调节系统非线性控制策略研究建立基于刚性水击的水电站小波动及水力干扰过渡过程非线性数学模型,从微分几何理论出发,提出设计调节输出函数的原则,使得非线性非最小相位系统能完全精确线性化,从而避免了判别零动态稳定性问题。运用该设计原则,推导出水电站过渡过程的非线性控制律,并通过工程实例进行非线性控制律与常规控制律的对比分析。