CES TEMS 论文分享｜ Ion Boldea：双轴与单轴激励的恒速和变速电动发电机及同步调相机系统：综述与展望

Dual-Axis Versus Single-Axis Excited Constant and Variable Speed Electric Generator and Synchronous Condenser Systems: A Review with Perspective

Ion Boldea1; Adrian Daniel Martin*2; Lucian Tutelea2

1.Romanian Academy, Timisoara Branch, Timişoara, Romania

2.Politehnnica University Timişoara, Timişoara, Romania

I. Boldea, A. D. Martin and L. Tutelea, "Dual-Axis Versus Single-Axis Excited Constant and Variable Speed Electric Generator and Synchronous Condenser Systems: A Review with Perspective," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 1, pp. 1-15, March 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00010.

摘 要

现代/分布式电力能源系统中，可再生能源（光伏、风能、波能和水力）的渗透率不断提高，其输出功率也呈现出时变特性，因此需要更强/更高频率的交流（AC）（直流（DC））电压控制。实际上，当存在频率和电压波动时，需要更快且更稳定的有功和无功功率。由电力电子控制的变速发电机没有足够的能量存储（惯性）来应对这一范围（包括静态同步补偿器（STATCOM））。这是因为电力电子技术往往会将发电机与电力系统解耦。虽然双馈感应发电机（DFIG）中的虚拟惯性控制为这些问题提供了一种部分解决方案，但需要一个更强大且更全面的框架来实现高级电网支持。通过扩展双励磁原理，双轴励磁电动同步发电机（DE-SG）提供两种变体的卓越灵活性，总结如下：作为一种多功能的双馈感应发电机（DFIG）与双轴与单轴励磁的同步发电机（SG），以及采用双直流和交流励磁（作为带有惯性轮的空载DFIG）的同步调相机（SC），通过采用变速方式加速/减速SC，为频率稳定提供额外的辅助作用。这些解决方案适用于短时间的瞬态情况，但并不旨在取代大型双向储能系统（水泵、氢气、电池等），这些系统对于具有多个电源的现代电力系统中输出能量的日常固有变化至关重要。本文概述了双轴激励与单轴激励的同步发电机（SE-SGs）以及SC拓扑、建模和控制，以提高现代多源能源系统的稳定性。该调查包括多个案例研究，以阐明突出的方法。

Abstract

Modern/distributed electric energy systems, with ever larger penetration of renewable (photovoltaic, wind, wave, and hydro) energy sources and time-variable outputs, are in need of stronger/higher frequency and alternating current (AC) (direct current (DC)) voltage control. In fact, faster and more stable active and reactive power in the presence of frequency and voltage sags and swells is needed. Power electronics-controlled variable speed generators do not have enough energy storage (inertia) for the scope (static synchronous compensators (STATCOMs) included). This is because power electronics tends to decouple the generator from the power system. While virtual inertia control in doubly fed induction generators (DFIGs) offers a partial solution to these problems, a more robust and comprehensive framework is required for advanced grid support. This is how, by extending the dual-excitation principles, the dual-axis excited electric synchronous generators (DE-SG) provide superior flexibility in two variants summarized here: as a multifunctional DFIG and dual-axis vs. single-axis excited synchronous generator (SG), and as a synchronous condenser (SC), with dual DC and AC excitation (as a no-load DFIG with inertia wheel), where variable speed is used to accelerate/ decelerate the SC and thus provide additional assistance in frequency stabilization. These solutions, good for short-time transients, are not meant, however, to replace the large bidirectional energy storage systems (pump-hydro, hydrogen, batteries, etc.) which are crucial for the daily inherent variations of output energy in modern power systems with multiple power sources. The present paper offers a summary of techniques used in the dual-axis excited vs. single-axis excited SGs (SE-SGs), and SCs topologies, modeling, and control for better stability in modern multiple-source energy systems. This survey includes multiple case studies to shed light on prominent methods.

（a） 传统同步和高温超导电机的V曲线（b）AMSC的+/-8 MVAR HTS SC机器，突出了关键特征

作者信息

Ion Boldea(Life Fellow, IEEE)，他分别于1967年和1973年获得罗马尼亚蒂米什瓦拉蒂米什纳拉理工大学电气工程硕士和博士学位。他目前是蒂米什瓦拉理工大学的正教授。他在线性和旋转电机、驱动器和磁电机方面广泛撰写或合著了研究论文（291篇论文，5395次引用，H索引：40 in Web of Science）。他撰写或合著了许多书籍，在全球图书馆（WorldCat.com）有6000个入口。Boldea博士是2015年IEEE尼古拉·特斯拉奖的获得者。

Adrian Daniel Martin(Member, IEEE)，分别于2017年和2023年获得罗马尼亚蒂米什瓦拉理工大学电气工程硕士和博士学位。他目前是蒂米什瓦拉理工大学的讲师，自2024年以来一直担任该职位。此外，他还担任罗马尼亚埃森哲的MES MOM自动化高级分析师，并领导UPT的学生信息和咨询办公室。他的专业背景包括2024年在德克萨斯大学达拉斯分校的研究访问期。他在Web of Science和IEEE索引期刊和会议录上发表了许多科学论文。他的博士研究主要集中在改进的感应电机扭矩观测器和虚拟负载上。他的研究兴趣包括实时处理、状态监测、工业应用中的扭矩和电气参数分析以及自动化过程。Martin博士通过在电气工程和自动化领域的教学、行政工作和研究，积极为学术界做出贡献。

Lucian Tutelea(Member, IEEE)，分别于1989年和1997年获得罗马尼亚蒂米什瓦拉蒂米什纳拉理工大学电气工程学士学位和博士学位。他目前是蒂米什瓦拉理工大学电气传动和电力电子系的教授。他是丹麦奥尔堡大学能源技术研究所的访问研究员（1997年、1999年、2000年和2006年）；2004年，与韩国首尔汉阳大学电气工程系合作。Tutelea教授的主要研究兴趣包括电机和驱动器的设计、建模和控制。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

抖音号