自励异步发电机(self-excited inducti on generator，SEIG)具有结构可靠，维护成本低，不存在高温易退磁风险等优点，使得SEIG在海岛、舰船、航空、钻井平台等独立式发电系统中得到了广泛应用。随着国内外风能、水能与海洋能等分布式发电系统的高速发展，SEIG作为新能源发电系统的有机组成部分，其相关稳定性边界与本质机理等问题需要进一步展开分析与研究。
　　建立有效的自励异步发电机独立系统数学模型，是研究其动态性能与稳定性问题的基础。但SEIG系统经典模型存在着多变量、强耦合、高阶非线性等复杂多尺度特征，难以进一步深入分析SEIG系统自激建压动态过程的稳定性问题及其本质机理。针对基于参考坐标系下的独立式自励异步发电机系统经典6阶方程，本文根据复矢量变换理论进一步提出和建立了SEIG系统3×3阶模型以简化系统稳定性的分析与求解过程，并进一步从4个时间尺度揭示了发电机系统上的动力学特征与本质量化关系，所提出的数学建模方法及模型更为简洁、物理意义明确、便于工程应用。
　　本文详细阐述了基于三相自然坐标系下的自励异步发电机系统模型通过两相参考坐标系等效变换理论，将电机的磁链方程与电压方程分别从6阶等效变换到4阶，并指出了参考坐标系变换方法对系统稳定性分析的影响与不足。为了克服电机系统模型中固有交叉耦合状态变量对系统稳定性分析的影响，提出了通过引入复矢量变换理论将基于两相静止坐标系下的4阶强耦合方程组有机统一解耦并隐含简化为2阶状态方程，最终完整建立了SEIG系统3×3阶复系数模型，为进一步大幅简化对发电机系统自激建压稳定性的分析提供了基础。
　　通过探讨等效变换前后系统模型内在暂态动力学特性的一致性，引入扩展至复数域的Routh-Hurwitz稳定性判据理论与依据，建立了基于复系数Routh稳定性判据的系统多时间尺度分析方法。由3阶系统模型的复系数特征方程，导出自励异步发电机系统在全速范围内空载自激建压暂态稳定的临界条件及其特征解，大幅简化了系统相关稳定性分析与计算过程，为SEIG系统稳定自激建压相关的励磁电容容量与发电机转速等分析与控制提供依据。
　　针对系统状态方程中存在固有的5个电机状态变量难以简明分析和研究发电机系统动力学特征等问题，本文通过分析和比较复系数模型特征多项式系数与多时间尺度响应间的相互联系，首次完整提出和建立了基于发电机系统固有物理意义的4个时间常数项。通过有机结合与运用复矢量变换理论和多时间尺度分析方法，克服了传统系统状态方程过于数学抽象化导致难以分析和理解的弊端，为进一步揭示发电机自激建压的本质机理与物理意义提供支撑。
　　本文详尽论述了表征系统特征方程多项式系数的不同时间尺度与幅相动力学的内在关系，并由此首次完整导出了SEIG系统简洁的多时间尺度结构框图。并着重研究了系统结构框图中不同的环路的时间尺度与系统稳定边界的作用与联系，通过探讨不同时间尺度下系统暂态与稳态的若干正反馈与负反馈作用环路以及不同时间尺度参数变化对发电机幅值与相位的影响，可定量评价系统动力学特性的稳定裕度:当发电机转子转速小于最小临界值时，因定子时间尺度与转子时间尺度内电机固有的负反馈作用及电热损耗阻尼作用，机端电压难以自激建压;当发电机转子转速大于自激建压的最小临界值条件，即电机转子转速产生足够的耦合磁链与运动电动势，定子电流才能克服定子时间尺度与转子时间尺度内的负反馈作用，最终在外接激磁电容的正反馈作用下，使得定子时间尺度与转子时间尺度内的正反馈回路对系统起主要作用;利用自励异步发电机反馈回路固有的非线性特性，完整指出了励磁电容容量存在着固有稳定性约束与量化关系;即最大励磁电容容量的上限值随着发电机转子转速的增大而快速增大到极值，而后不断减小;而最小励磁电容从发电机初始转速从最大值逐渐迅速减小到一定值后，随着发电机转子转速的逐渐增大，最小励磁电容的下限值变化率不断递减并趋于恒定。算例计算、仿真与实验结果都表明，自励异步发电机系统通过不同内在反馈回路和多时间尺度参数的变化直接影响着SEIG系统自激建压的动力学特征与稳定特性，与理论分析一致。
　　通过基于导出的复系数SEIG系统状态方程与特征多项式系数稳定判据，本文深入分析和揭示了SEIG各时间尺度系统稳定自激建压的机理，大幅简化了系统的数学模型及其分析计算过程，明确了复系数特征多项式系数与四个时间常数之间的物理意义，构造的多时间尺度系统结构图以及各电机参数与发电机稳定自激建压励磁电容边界的曲线图便于工程设计与应用。本文系统性归纳和总结了SEIG系统自激建压的多时间尺度动力学特征，深入揭示了系统稳定性的物理意义和本质机理，验证了SEIG电机多时间尺度的时间常数对系统稳定边界定量作用的可行性，为SEIG系统动力学特征的深入分析提供了有效途径与方法。