小水电是重要的民生水利基础设施和清洁可再生能源,在保障国家经济社会发展和改善人民群众生活质量等方面发挥了重要作用,大力开发小水电符合我国可持续发展的战略方针。但目前广泛使用的定速恒频水力发电方式,设备成本投入大,机组故障率高,水能利用率低,难以满足未来电网对水电高效、快速、高质、生态、和低成本的要求,新型水力发电技术突破尤为亟切。本文创新的引进了用于水力发电的变速恒频系统(简称变频系统),采用以永磁同步发电机为基础的全功率变流系统替代传统水轮机-调速器-发电机定速恒频机组,可适应时变的水头,进行全天候发电,显著提高了设备利用率和发电效率。主要研究内容如下:1提出了变频水力发电的新思路,引进了新的水力发电并网拓扑。采用以永磁电机为核心的能量转换系统,选取两电平交直交变流方式,实现了变转速、宽电压、大功率范围的恒频发电。2建立了变频水电系统的数学模型。针对传统PI控制器动态响应较慢、抗扰动能力差、不具备整体优化能力的缺点,介绍了机侧和网侧变流器的无差拍电流预测控制策略。3分析了永磁同步发电机内部电磁参数变化时对控制系统的影响,针对电机参数变化引起的电流控制误差问题,提出了一种基于扰动观测器的新型无差拍预测控制。该观测器采用滑模控制理论构建,为了削弱抖振带来的影响,在趋近率的基础上使用准滑动模态方法。观测器能够同时预测定子电流的未来值并实时估计参数误差造成的扰动,采用电压前馈补偿方式来消除电流静差,加强了系统变工况运行能力,提高了发电效率。4完成了10kW变频水电并网系统样机的开发,并应用于实际小水电站。通过实验证实了采用变频系统的水力发电方式的可行性。同时,仿真和实验都表明:基于扰动观测器的无差拍预测控制在系统参数变化时仍然具有很好的动静态性能。