在流场、结构、电磁等多方面物理因素的影响下,抽水蓄能机组处于剧烈过渡过程工况下极易造成组件结构的振动、变形和损伤。尤其在甩负荷工况下,高水头水泵水轮机在高度扭曲的“S”型曲线处运行,内部的流场发生了剧烈的变化,受到水锤效应、旋转失速和涡流作用等影响,在不同部位会产生多种形式的振动,引起机组运行状态的恶化。目前对机组响应的研究逐渐向分布化、集成化和高效化发展,其难点在于建立的数值模型兼具高精度与高效率,同时能解决反映现实电站运行的规律。为解决上述问题,本文通过建立联合仿真物理模型实现了抽水蓄能机组的多物理场耦合,并应用降阶模型提高运算效率。针对不同物理场,研究引入了不同形式的降阶方法构造集成耦合系统,结合多物理场影响下的机组强度与振动响应,提出了评估和优化大波动工况运行的方法。本研究从以下三个方面展开:（1）针对抽水蓄能电站甩负荷工况下出现的性能指标恶化现象,剖析了活动导叶关闭过程对过流部件关键性能参数的影响机理。提出了基于本征正交分解的降阶模型（Reduced Order Model,ROM）实现水泵水轮机瞬态流场快速计算的方法,将特征线法模拟的有压管道、水轮机控制系统等与ROM串联求解抽蓄电站水力特性。通过拓展傅里叶幅度检验法对甩负荷工况下流场内部关键点进行了全局敏感性分析,结合测点压力曲线、内部流场解析和涡流分析,制定了筛选导叶关闭优化的关键指标参数的新规则。引入第三代非支配排序的遗传算法,对多种类型的导叶关闭规律进行优化,通过对比各种形式的导叶关闭规律,提出了反开三段式新型关闭规律,有效地解决了转轮超速、压力峰值与脉动剧烈等现象引起的参数异常化问题。（2）为研究工况转换剧烈或转子偏心引起的不平衡磁拉力,对励磁凸极式三相同步发电电动机的定转子电磁场进行Maxwell2D瞬态仿真,用于获取电磁场分布参数,引入等效电路模型提取实现了电磁场集总参数的快速计算。运用SML（Simplorer Modeling Language）语言建立了Twin Builder平台的发电电动机的集成仿真模型,实现了对电机甩负荷工况运转的高保真高效模拟,同时为发电机轴系部位的机电耦合提供了激励源。依据虚功法和电磁有限元法提出了一种依据空间磁感应强度分布与多项式拟合求解动偏心不平衡磁拉力的新方法,通过将有限元解、解析解和工程资料相对比,验证了新方法求解变偏心率下气隙间电磁力的精确性。（3）为评估大波动过渡过程对机组轴系结构场的影响,建立了三维数值模拟的多物理场机组轴系动力学模型,通过支撑结构-轴承热固瞬态仿真的方式获得轴承刚度,克服了运用经验公式估算的局限。提出运用奇异值分解和Kriging代理模型获取轴系ROM的方法,通过响应面分析获得结构强度参数对于流场-电磁场激励的敏感性,以此为基础设计了一种快速提取轴系的应力时间历程的方法。融合多物理场ROM,在Twin Builder中搭建了机组轴系快速计算系统模型,分析了多种导叶关闭规律下轴系的瞬态强度响应,通过雨流矩阵法处理应力时间历程,预测了轴系的疲劳寿命,发现交变应力引起的疲劳作用与强度响应相互独立,三段式导叶关闭规律更容易引起疲劳破坏。通过对以上内容的研究,为大型高水头抽水蓄能电站在剧烈过渡过程的运行提供了理论支撑,并解决了甩负荷工况运行过程剧烈、关键参数突变的问题,实现了机组强度与振动的快速计算。