为应对能源危机、缓解环境问题,发展可再生能源成为世界各国的共同目标。随着风电、光伏发电等间歇式能源大规模接入电网,给电网的频率调整和安全运行带来极大的挑战。作为目前技术最为完善、存储容量最大的储能电源,抽水蓄能电站具有良好的调频、调峰能力,是保证电网稳定运行的有效手段。常规的抽水蓄能机组一般采用同步电机,在抽水工况无法进行功率调节,在发电工况无法运行在最佳效率区间。相比之下,新型的变速抽水蓄能机组采用交流励磁发电机,能够通过改变转子电流频率实现平滑调速,不仅可以实现功率的独立快速调节,而且能够使机组始终工作于最佳状态,提高了运行效率。变速抽水蓄能机组之所以性能更加优越,在于交流励磁系统可以充分发挥电机的运行优势。因此,本文对变速抽水蓄能机组交流励磁系统的运行特性展开了研究。首先,分析了变速抽水蓄能机组的组成结构和基本运行原理,建立了交流励磁电机的有名值数学模型与标幺值数学模型,推导了励磁系统变频器在abc静止坐标系和dq旋转坐标系下的数学模型,研究了变频器的矢量控制系统并实现了输出功率的解耦控制。其次,提出了交流励磁标幺系统的选择标准,并采用丰宁变速抽水蓄能机组说明了基准值的选取方式,推导了电机标幺系统与励磁标幺系统的接口转换关系;在励磁控制系统完全解耦的前提下,应用消去法,把电流内环整定成了一阶惯性环节,并基于错开定理和二阶最佳定理,推导了控制外环PI调节器的参数整定原则;采用交流励磁系统的仿真实测数据,进行了电机内部参数的测量,形成了完整的电机参数测试方法。最后,采用RTDS搭建了变速抽水蓄能机组交流励磁系统的电磁暂态仿真模型,并以电磁暂态模型为基础,建立了考虑电机转子磁链的动态过程和保留励磁内环特性的电压源型机电暂态模型,并且通过不同的阶跃扰动试验,验证了简化机电暂态模型的正确性与控制功能的有效性。