水电机组是现代电力系统中广泛分布的电能生产装置,具有极其复杂的水力-机械-电气耦合非线性特性,在电网中发挥着能源供应、调峰调频和事故备用等关键作用。水电机组的安全、稳定、高效运行对提升电能质量和维持电力系统稳定具有重要意义。近年来,随着超大容量机组和抽水蓄能机组的广泛投产运行,水电机组呈现出容量大型化、结构复杂化的发展趋势,使机组调节系统的控制越来越复杂。为改善机组的控制性能,提高机组在复杂工况下的运行稳定性,亟需开展水电机组调节系统的先进控制理论与方法研究。传统水电机组调节系统多采用比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)控制策略,控制算法结构简单、易于电站运维人员理解与实现,但其控制目标单一,较少考虑系统水-机-电耦合动力过程和内部状态信息,尤其是缺乏对系统状态变量进行约束的能力,难以满足日渐复杂的运行环境中水电机组调节系统高品质控制的需求。因此,现代控制理论、智能控制理论被广泛用于水电机组调节系统的控制器设计中,成为水电机组调节系统控制方向的研究热点。模型预测控制是在工业控制系统中广泛应用的计算机控制方法,其算法结构不拘泥于系统模型形式,具有较强的鲁棒性和显式处理约束能力,对具有复杂模型结构和含有多种饱和、死区等非线性环节的水电机组调节系统具有较强适应性。本文以水电机组运行过程中对频率、电压、功率的高品质控制需求为切入点,围绕水电机组调节系统模型预测控制研究中的关键科学问题,从原动机调速、发电机励磁和电力系统二次调频的角度,分别建立了水电机组调节系统的精确数学模型。在此基础上,以抽水蓄能机组调速系统、同步发电机励磁系统和水-火电互联电网分布式负荷频率控制系统为研究对象,根据被控对象的模型结构和动态特点分别开展了不同类型的模型预测控制理论与方法研究,提出上述模型预测控制的稳定性设计思路,阐述和解析其在水电机组调节系统中应用时的稳定性分析方法,形成了一套较为系统的水电机组调节系统模型预测控制研究体系,并取得了一定理论与应用成果。本文的主要工作和创新性成果包括:(1)深入探究了水电机组调节系统的复杂非线性特性,根据工程实际中机组的运行特点,合理选取不同尺度下机组调节系统的研究侧重点,分别建立了抽水蓄能机组调速系统非线性分布参数模型、同步发电机励磁系统仿射非线性模型和多区域水-火电互联电网负荷频率控制系统状态空间模型,解析了水电机组调速系统不同模型间的结构差异性和系统内非线性约束的处理方式,为开展不同控制目标下水电机组调节系统的模型预测控制研究奠定基础。(2)针对抽水蓄能机组这一类特殊的水电机组,研究并提出了一种适用于抽水蓄能机组发电方向不同工况的机组调速系统广义预测控制方法。通过一种机理建模和数据驱动相结合的模型定阶和参数约简策略来确定抽水蓄能机组调速系统瞬时线性化预测模型的时滞和阶次。根据机组的运行状态和控制目标,分别给出了广义预测控制频率调节模式和开度调节模式的设计方案,并根据华中地区某抽水蓄能电站单机容量300MW的抽水蓄能机组调速系统实际参数进行不同运行工况的控制过程动态分析,验证了该控制方法有效性。(3)提出了一种基于树-种算法的同步发电机励磁系统阶梯式智能模型预测控制方法,将阶梯式控制和智能优化算法引入模型预测控制的滚动优化中,有效降低了滚动优化中非线性规划解的维数,提高了控制算法的可行性。为保证的控制系统的闭环稳定性,将“准无穷时域优化”的概念引入同步发电机励磁系统模型预测控制的设计过程中,在滚动优化环节增设终端惩罚项和终端不等式域,并设计了预测时域外的“虚拟”局部线性化反馈控制器。通过在单机和多机系统中与传统励磁控制方法进行对比实验,证明了该预测控制方法较常规励磁控制方式具有更强的发电机机端电压维持和机电振荡阻尼能力。(4)深入研究水电机组并网运行时区域电网自动发电控制系统的二次调频问题,提出了一种基于Laguerre函数型分布式模型预测控制的负荷频率控制方法,使用离散Laguerre函数拟合有限预测时域内分布式模型预测控制的预测控制律轨迹,将控制器中在线优化问题的维数固定为Laguerre函数的阶次,从而克服了传统预测控制滚动优化的决策变量维数随预测时域增大而增大的问题,提高了长预测时域滚动优化的在线计算效率,改善了复杂状态约束条件下互联电网频率调节的性能。(5)将本文提出的模型预测控制算法分为约束线性系统的Laguerre函数型分布式模型预测控制、仿射非线性系统的阶梯式智能模型预测控制和复杂非线性系统的广义预测控制三个类别。对于约束线性系统和仿射非线性系统的模型预测控制,分别通过终端等式约束和“准无穷时域优化”设计思路,借助Lyapunov稳定性定理证明了控制系统闭环稳定性,并对这两种控制算法分别在负荷频率控制和发电机励磁控制中应用时的稳定性问题进行了研究。对于复杂非线性系统的广义预测控制,分析了其稳定性设计时存在的困难,并讨论了通过非线性动力学分析判断广义预测控制在抽水蓄能机组调速系统中应用时系统运行稳定性的方法。