超长引水隧洞水电站流道布置特殊、耦联关系多样、暂态过程复杂,给电站建模仿真、系统解耦分析、机组运行控制带来了巨大的挑战,制约着超长引水隧洞水电站开发建设的深入与运行维护的提升。为此,本文针对超长引水隧洞水电站复杂且独特的过渡过程与控制问题,开展超长引水隧洞水电站流道水力耦合特性与机组运行控制研究。基于超长引水隧洞水电站流道布置特点与暂态过程物理本质,建立完整精细的水轮机调节系统数学模型,面向电站设计与运行的安全稳定高效的重要需求,开展了4个方面的研究:基于流道-调压室非线性水力耦合的超长引水隧洞水电站一次调频动态特性、超长引水隧洞水电站水轮机调节系统鲁棒H∞控制、一洞双机超长引水隧洞水电站水轮机调节系统稳定性、一洞双机超长引水隧洞水电站暂态过程调速器参数优化,取得了如下创新性成果:（1）首先,建立了一次频率调节的超长引水隧洞水电站的数学模型。然后,基于稳定域分析了一次调频稳定性,基于动态响应过程和指标分析了一次调频的动态响应。揭示了系统特征参数对一次调频稳定性和动态响应的影响。最后,研究了隧洞水头损失非线性与压力管道水锤弹性对水电站一次调频动态特性的耦合作用。结果表明:可以通过稳定域来定量描述和评估一次频率调节的稳定域。超长引水隧洞水头损失的非线性与压力管道的水锤弹性对水电站一次调频动态特性的耦合作用受调压室截面积的影响。随着调压室截面积的减小,压力管道水锤弹性的作用逐渐减弱,而超长引水隧洞水头损失的非线性作用逐渐增强。当调压室截面积大于临界稳定值时,压力管道的水锤弹性作用起主导作用,且压力管水锤的弹性不利于系统一次频率调节的稳定性和动态响应。（2）首先,推导了考虑隧洞损失非线性的超长引水隧洞水电站水轮机调节系统的状态方程。然后,基于超长引水隧洞水电站水轮机调节系统的精确线性化和名义输出函数的构造,设计了超长引水隧洞水电站水轮机调节系统鲁棒H∞控制策略。最后,研究了鲁棒H∞控制策略下超长引水隧洞水电站水轮机调节系统的调节品质、适用性和鲁棒性。结果表明:超长引水隧洞水电站水轮机调节系统鲁棒H∞控制策略由最优增益变量、名义输出函数和名义输出函数的各阶Lie导数组成。名义输出函数是水轮机调节系统中四个状态变量的线性组合。在鲁棒H∞控制策略下,超长引水隧洞水电站水轮机调节系统的动态响应具有很好的速动性,调节品质明显优于PID控制策略。鲁棒H∞控制策略可以有效地调节和抑制调压室中的水位波动。鲁棒H∞控制策略对超长引水隧洞水电站水轮机调节系统具有很好的适用性和鲁棒性。（3）首先,建立了一洞双机超长引水隧洞水电站的数学模型。然后,提出了一种描述和评价水电站稳定性的方法,得到水电站的稳定域,分析了水电站的动态响应特性。最后,基于稳定域和动态响应,研究了水电站非对称因素下系统的稳定性,揭示了非对称因素对水电站稳定性的影响。结果表明:一洞双机超长引水隧洞水电站有两条分岔线,两条分岔线的左边是稳定域。稳定域为描述和评估稳定性提供了一种有效的方法,非对称水轮机机组的稳定性取决于非对称参数的总和。在非对称因素的影响下,水轮机机组频率的动态响应过程也呈现出非对称特性。非对称的调速器参数Kp、Ki和负荷调整mg对水电站的稳定性和机组频率的动态响应过程有明显的影响。（4）首先,建立了一洞双机超长引水隧洞水电站的数学模型。然后,结合遗传算法的基本原理,开展了一洞双机超长引水隧洞水电站暂态过程调速器参数优化的研究。最后,根据影响水电站设计运行的重要参数,分析它们在不同取值情况下对调速器参数优化研究的影响,并对优化的系统进行调节品质仿真研究,定性和定量的分析水轮机调节系统的性能。结果表明:遗传算法迭代优化出的调速器参数使得一洞双机超长引水隧洞水电站水轮机调节系统的性能优于斯坦因经验公式下的水轮机调节系统。对称布置下的一洞双机超长引水隧洞水电站两台机组调速器参数迭代优化的过程并不呈对称变化,且系统在达到最优状态时优化出的机组调速器参数组合不对称。影响水电站设计运行的参数Tw P、hf P、Ta及负荷扰动mg对调速器参数优化研究及系统性能有较大的影响。压力管道Tw P2、hP20的增大或mg2的增大都不利于水轮机调节系统的性能,Ta2的增大有利于水轮机调节系统的性能。