随着现代工业生产和人们生活水平的快速发展,生产生活中的方方面面对电能的需求量越来越大,但是传统火力发电所需的化石能源不可再生且日益紧缺,同时火力发电会对环境造成较大的污染。于是,清洁能源发电备受研究者的关注。水力发电作为目前发展较为成熟且前景广阔的清洁能源,已经得到了广泛应用,尤其是抽水蓄能电站,以其削峰填谷、启动灵活等优点近年来更是发展迅速。但是,随着抽水蓄能电站装机容量的扩大,其水电机组调速系统的控制难度也愈发明显:水电机组具有强耦合与非线性特性;其运行工况复杂多变,不能采用单一工况模型来研究全工况的特点;水泵水轮机的驼峰特性、“S”特性很容易引起机组的振荡现象,尤其是当机组运行在低水头工况时,“S”区域的卷曲交叉特性加剧了控制难度。为了解决不同工况下抽水蓄能电站调速系统难以建立准确数学模型的难题,深入分析了水电机组调速系统的工作原理及其各部分的运行机理。对于其中的引水系统,考虑水击效应,建立了压力引水系统数学模型;针对水泵水轮机的非线性特性,采用了非线性建模的方法:首先使用改进的Suter变换消除水泵水轮机全特性曲线的非线性影响;然后利用三次样条插值法取得特定工况下的水轮机运行参数,建立了水泵水轮机的非线性模型;最后综合PID控制器、电液随动系统、压力引水系统、水泵水轮机、发电机及其负荷的数学模型,建立了水电机组调速系统非线性模型,为PID控制器参数的优化奠定了准确的模型基础。由于抽水蓄能电站的水电机组运行工况很容易变化,且不同运行工况下水电机组的动静态特性差异性较大,因此论文在不增加控制系统复杂度（即不改变机组控制结构、仅调节PID参数取值）的前提下,为了能使调速系统在多种运行工况（多种水头）下均具有较为良好的快速性和平稳性,选取了3种工况（低水头、中水头、高水头）下系统运行的ITAE指标作为3个目标,进行了PID控制器的3目标参数优化。考虑到非支配排序遗传算法Ⅲ（NSGA-Ⅲ）在对3个及以上目标优化问题上具有的快速收敛性及良好的全局寻优能力,将NSGA-Ⅲ算法用于PID控制器参数优化。以江西洪屏抽水蓄能电站为例,进行了3种设计工况和2种测试工况（中低水头、中高水头）的仿真实验,验证了经多目标PID控制器参数优化的水电机组调速系统具有良好的快速性、平稳性和工况适应性。