随着我国能源结构由化石能源向非化石能源的不断转换,作为一种重要的可再生清洁能源,抽水蓄能电站承担着电网调峰调频等重要任务。此外,近年来风光等间歇性能源大量接入电网,其波动性使电网的稳定运行受到了严重威胁,抽水蓄能电站作为一种重要的储能技术能有效抑制风光等间歇能源对电网的影响,因此,有必要加快抽水蓄能电站的开工建设,促进我国能源结构的深化调整,以保障电网安全稳定运行。然而,抽水蓄能电站正朝着高水头、大单机容量、复杂过水系统、超长引水管道方向发展,其控制问题极为复杂,亟待针对其优化控制难题,探索新的理论与技术。抽水蓄能电站调速系统的精确建模是系统动态过程仿真、稳定性分析、机组故障诊断、参数辨识和控制优化等研究工作的基础。传统的PID控制器在面对复杂调速系统时仍存在着一些局限性,控制器参数优化和新型控制器设计是改善系统控制性能的有效手段。在此背景下,针对调速系统建模和控制优化所面临的关键科学问题和技术难点,本文进行了系统深入的研究。以数学建模、系统辨识和智能优化算法为理论支撑,建立了调速系统精细化模型,以此为基础,围绕分数阶PID、控制器参数优化、多目标优化控制、模糊模型辨识和广义预测控制器设计开展了深入的研究,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)深入研究了抽水蓄能机组调速系统复杂非线性特性,建立了调速系统各关键部件数学模型。针对水泵水轮机“S”特性所带来的插值多值性和仿真迭代不收敛等问题,提出采用对数投影法和改进Suter变换对水泵水轮机全特性曲线进行处理,有效缓解了“S”特性区域曲线的交叉、重叠和扭卷现象。根据不同的研究需求,搭建了调速系统线性仿真模型、非线性仿真模型和数值仿真模型,为后续调速系统参数辨识和控制优化奠定了模型基础。(2)为实现调速系统的精确建模,获得系统当前实际模型参数,在深入研究基于智能优化算法参数辨识理论的基础上,提出一种结合精英引导策略、自适应万有引力常数衰减因子、变异操作和弹性球边界处理策略的改进引力搜索算法(mixed-strategy based gravitational search algorithm,MS-GSA),建立了基于MS-GSA的参数辨识方法,实现了调速系统高精度建模。(3)提出并设计了调速系统分数阶PID控制器(FOPID),取代传统整数阶PID控制器。针对分数阶PID控制器的参数整定问题,研究采用改进引力搜索算法(CGGSA)进行控制器参数优化,获得机组当前工况最优控制器参数,三种水头下机组频率扰动实验结果表明,CGGSA-FOPID控制器在不同水头下均具有更好的控制效果,显著改善了机组的动态性能。(4)抽水蓄能机组调速系统由于受到外部环境和工况变化的影响,单一固定的控制器参数无法保证机组在不同工况下的最优运行。本文在深入研究多目标建模及其优化算法的基础上,基于不同工况下系统的动态性能指标构建多目标函数,引入分数阶PID控制器,建立了基于改进多目标粒子群优化算法分数阶PID控制器多工况多目标优化控制策略,多组实验结果表明,本文所提出的多工况控制策略,显著提高了机组对环境和工况变化的适应性。(5)研究了基于T-S模糊模型辨识抽水蓄能机组调速系统广义预测控制方法,基于建立的调速系统数值仿真模型,结合T-S模糊模型辨识理论,建立了基于离线辨识和在线辨识相结合的调速系统瞬时线性化CARIMA模型,实现了机组广义预测控制器设计,与传统PID控制器相比,具有更好的控制性能。