水电站的安全稳定运行一直是人们所关心的问题,为此国内外制定了相关标准对水力发电机组关键部位的振动限值作出了具体规定。当机组在不推荐的运行区内或在开机等过渡工况下运行时,容易发生超标振动,这会对水电站造成危害甚至引发严重的安全事故,如萨扬水电站“8·17”事故发生时其水轮机顶盖轴承振幅超出了规范允许值的4倍。本文通过原型观测、理论推导和数值计算等手段对超标振动特性进行了系统分析,并对机组的开机过程进行优化控制研究,取得的主要成果如下:(1)开展水力发电机组超标振动的类型识别与响应特性研究。首先提出了机组超标振动的分类及其识别方法;然后对一高水头水电站全年时间内的机组振动进行识别分析,结果表明固定负荷工况的超标时间最长,共持续了779min,最大振动双幅值为294μm,是规范允许值70μm的4.2倍,开机是振动幅度最大的超标振动类型,最大振动双幅值达到582μm,是规范允许值70μm的8.3倍;分析了各类型超标振动发生时的水头及负荷特征;最后建立了一个水轮机效率拟合公式并加以验证。(2)基于提出的振动信号处理新方法开展固定负荷工况下水电站厂房结构振动特性研究。首先针对实际工程对水电站厂房结构的振源进行理论计算及实测分析,确定了主要振源成分;然后应用提出的针对非平稳信号的自适应变分模态分解方法AVMD与针对平稳随机信号的基于自相关函数的子信号标准差计算方法详细分析了多振源混叠作用下厂房结构振动随水头及负荷的变化规律;最后建立了强度-关联度指标评价各振源在厂房结构振动中的重要程度。(3)对水力发电机组开机过程进行单目标及多目标优化控制研究。首先分析了开机过程中厂房结构振动的时频特性,确定了厂房结构的最大振动发生在导叶开启至导叶回调的过程中;然后在考虑机组速动性与水力稳定性的基础上,分析了开环开机过程的3个影响因素与4个控制指标之间的相关性;针对实际工程应用遗传算法对机组开环开机过程进行单目标优化控制研究,得到的结果可以在不延长开机时长的情况下,将最大压力波动降低14.9%;最后应用带精英策略的非支配排序遗传算法对开环开机过程进行多目标优化控制研究,并提出了Pareto二次占优解集优化方法,其所对应的开机过程可将最大压力波动降低18.36%～31.14%,开机时长缩短1.13%～19.63%。