随着现代经济发展，人们对电力系统的稳定性提出了越来越严格的要求。水力发电机组作为电力系统中的重要组成部分，其运行的稳定性至关重要。励磁系统和调速器是水电厂中十分重要的控制设备,对于保证电力系统的安全、稳定运行以及电能质量起着关键的作用。在传统的控制方式中，一般通过调速器控制水轮发电机组的有功及频率，通过励磁控制器控制水轮机的无功与电压，两套控制器是彼此独立的。但是水轮发电机组是一个复杂的多变量系统，具有耦合性强的特点，关键量之间彼此关联，仅仅依靠单一励磁控制器或调速器并不能得到最佳控制效果。因此，有必要将水轮机和发电机作为整体，通过励磁控制器和调速器融合的综合控制器来进行控制。基于此，本文从以下方面进行研究。首先，对水轮机和发电机的工作机理进行了介绍，建立了调速器控制和励磁控制单独控制时以及水轮机发电机综合控制时的数学模型，并对其进行了线性化处理，解决了模型的非线性问题。然后，介绍了最优控制的基本概念，并应用最优控制的理论分别设计了调速控制最优控制器、励磁控制的最优控制器以及综合控制系统的最优控制器，并通过仿真进行对比。验证了综合控制具有更好的控制效果。最后，介绍了并矢展开算法，通过加权函数的选取设计了基于并矢展开的H鲁棒控制策略。通过仿真研究进行对比，表明并矢展开能够解决系统的耦合性问题，并且所设计的鲁棒控制器具有更好的抗干扰性能，控制效果优良。