在我国要求保障能源供给侧安全，同时提高电网接纳能力的背景下，水轮机调节系统数学模型和控制策略的研究对于开发利用清洁可再生能源、设计多能源综合互补电力系统具有深远的科学研究价值和工程实践意义。水轮机调节系统综合了水力、机械、电气多个因素，是一个参数时变、耦合的复杂非线性系统。研究能精确反映其在不同工况和过渡过程动态特性的非线性数学模型，并基于模型设计具有优良调节品质的控制策略，有助于提高具有复杂水工结构的大型水力发电站的安全、稳定、高效运行能力，同时加强水轮发电机组参与电网调频、调峰等任务的灵活性。
　　论文开展了水轮机调节系统非线性建模和滑模变结构控制的研究。首先详细地总结了水轮机调节系统各环节非线性数学模型的建立方法和理论，以及各类控制策略研究的进展和成果。在充分考虑具有调压室的复杂引水系统、参数时变且耦合的非线性水轮机、引入负荷扰动的发电机模型、非线性随动系统之间相互作用的基础上，建立了适用于研究小波动过渡过程的水轮机调节系统非线性时间连续数学模型。基于输入/输出反馈线性化技术建立了调节信号与机组频率的直接关系，并采用比例-积分-微分滑模面，探索设计了基于指数趋近律的滑模变结构控制策略和全局快速终端滑模变结构控制策略，讨论了前者的抖振消除机制以及后者的收敛时间，并给出了两者的稳定性分析。以基于时间乘以误差绝对值准则的具有变权重系数的粒子群优化算法对两类滑模变结构控制策略的调节参数进行了优化。最后，对优化参数后的两类滑模变结构控制策略的指定频率稳定、周期频率追踪和负荷扰动进行了计算机仿真实验，并且验证了控制策略应对水轮机调节系统参数变动时的鲁棒性。
　　论文通过建立调节信号与机组频率的直接关系，将两类滑模变结构控制策略应用于机组的主频率调节，解决了具备高阶状态方程的复杂非线性模型难以调节中间状态变量的问题，降低了取代传统控制策略应用于水力发电厂的复杂性。对于参数时变、强耦合的水轮机调节系统，论文基于比例-积分-微分滑模面设计的控制策略在应对小波动过渡过程时具有优良的调节品质，为滑模变结构控制策略应用于面对复杂工况的非线性水轮机调节系统提供了理论准备。针对控制策略具备较多的滑模面元素和增益系数，而对其参数组合优化的研究较少的情况，论文采用了在水电行业参数优化研究中比较成熟的粒子群优化算法对控制策略的参数进行了选择，获得了较好的调节品质和满意的系统动态特性，为滑模变结构控制策略的调节参数优化研究提供了新的思路。