随着水电机组装机容量及在电网中比重的增加,以及可再生能源应用规模的进一步扩大,电网对于水电机组的动态特性有了更加严格的要求,对于常规电站要能够保证安全稳定运行,对于抽水蓄能机组要对电网有良好的调峰填谷能力。根据“十三五”规划中“源-网-荷”协调发展的要求,水电站的精准规划和合理布局难度增加。随着长引水管道、高水头、大流量的水电站数量增多,水电机组运行过程中水、机、电的耦合作用也越发明显,运行条件更为复杂,运行的稳定性及调节品质越来越引起相关部门及学者的重视。在对水电机组涉网稳定性做理论分析时,一般会建立相应的数学模型。而复杂的水-机-电系统耦合关系,时变、非线性、非最小相位的调节系统特征,以及冗余多变的边界条件的存在,使得水电机组数学模型必须进行相应的简化。这就可能导致实际运行中的稳定情况与理论分析失配,因此需要保证一定的稳定裕度。目前对于这种稳定性的分析都是以是否稳定作定性考量,需要对工程实际中如何保证系统稳定裕度以及给振荡衰减特性进行定量作更深入的研究。本文以此为出发点,在前人研究成果的基础上,对水电机组调节系统的稳定性和稳定程度问题进行了深入的研究,并结合工程实际为本文研究内容的应用提供案例。主要内容如下:（1）由于一般的水轮机模型综合特性曲线缺乏小流量区与小转速区的数据,因此水电机组在小流量或小转速工况区的仿真严重影响过渡过程计算精度及模型稳定性。针对上述难点,本文依据水轮机自身的几何尺寸参数,对零流量和零转速工况点进行了理论推导,通过水轮机综合特性曲线数据延拓,得到了内外特性结合的水轮机流量和力矩特性曲线,进一步提高了水电机组数学模型的仿真精度,也为过渡过程计算中各种非工作区工况点的水轮机传递系数的推求提供依据。（2）考虑到发电机带入负载后,一部分力矩会随转速变化而变化,导致发电机的转速不是单方面输出,于是对一阶的发电机模型进行了改进;通过分析负载扰动与机组转速的关系,基于水电机组调节系统不同的管道水击方程和调速器调节模式,推求出了六种调节系统的传递函数数学模型,并对比了不同模型的形式差异,探究了形式差异后的物理本质。通过与专业的过渡过程计算软件Topsys的结果对比,验证了模型的准确性。进一步对比分析了不同模型的稳定域,探讨了不同水击模型对稳定域的影响。（3）对于保证系统稳定裕度以及定量分析振荡衰减特性问题,引入稳定余量域概念,作为评价水电站调节系统的稳定性定量指标,首先从理论分析的角度,推导了稳定余量域与阻尼比、频率及衰减系数的关系,并介绍余量域的理论计算方法;然后搭建了与理论分析模型对应的时域数值模拟模型,并验证了模型对系统时域动态特性分析的适用性;之后绘制了某水电站真实参数下的临界稳定域及稳定余量域,对相同余量域下的调节系统超低频振荡情况进行了数值模拟,并分析系统相应的稳定程度,得出了余量域所代表的超低频振荡衰减特性。最后总结了不同的运行条件对水电机组稳定程度的影响规律,为工程实际提供参考。