随着国家大力发展新能源,就不得不考虑新能源固有的特性,这样使得具有良好的储能能力和灵活调节能力的水电机组对电网可靠安全运行显得愈发重要,因此建立能精确反映水轮机调节系统动力特性的数学模型是电力系统稳定分析的关键。近年来随着分数阶微积分的快速发展,已经应用于多个领域中,并且在各种工程应用中已经证明了分数阶微积分的建模以及控制能力。所以将分数阶微积分理论应用到水轮机调节系统当中,建立水轮机-引水管道的分数阶模型,最后在已经建立的分数阶模型的基础上提出分数阶控制,设计分数阶PID控制器。本文主要采用离线数据结合TRR-PSO优化算法通过辨识方法得到分数阶水轮机-引水管道的数学模型。首先模型辨识需要数据,因此建立了精度较高的基于全特性曲线的非线性水轮机-引水管道模型以此作为辨识数据。建立一般分数阶传递函数形式的水轮机-引水管道模型,通过TRR-PSO算法对分数阶模型进行系数与阶次的辨识。并在国内某电站的三种工况(工况1、2和3分别对应机组运行工况导叶开度为0.45、0.6和0.75)下进行模型辨识。将此模型与二阶整数阶、真实系统即全特性曲线的非线性水轮机模型进行仿真对比,证明了辨识得到的分数阶模型相比于整数阶模型能更加贴合真实系统的波动曲线,更准确的反映水轮机调节系统的非线性特性。最后,为了证明分数阶PID控制器更适合分数阶模型,在建立的分数阶水轮机调节系统模型基础上,利用PSO算法分别进行PID和分数阶PID参数的寻优,在频率扰动和负荷扰动下进行仿真实验,证明了分数阶PID控制器相比于整数阶PID控制器具有更好的调节性能。