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, Timi?oara, Romania

2.Politehnnica University Timi?oara, Timi?oara, 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

現代/分布式電力能源系統中，可再生能源（光伏、風能、波能和水力）的滲透率不斷提高，其輸出功率也呈現出時變特性，因此需要更強/更高頻率的交流（AC）（直流（DC））電壓控制。實際上，當存在頻率和電壓波動時，需要更快且更穩定的有功和無功功率。由電力電子控制的變速發電機沒有足夠的能量存儲（慣性）來應對這一范圍（包括靜態同步補償器（STATCOM））。這是因為電力電子技術往往會將發電機與電力系統解耦。雖然雙饋感應發電機（DFIG）中的虛擬慣性控制為這些問題提供了一種部分解決方案，但需要一個更強大且更全面的框架來實現高級電網支持。通過擴展雙勵磁原理，雙軸勵磁電動同步發電機（DE-SG）提供兩種變體的卓越靈活性，總結如下：作為一種多功能的雙饋感應發電機（DFIG）與雙軸與單軸勵磁的同步發電機（SG），以及采用雙直流和交流勵磁（作為帶有慣性輪的空載DFIG）的同步調相機（SC），通過采用變速方式加速/減速SC，為頻率穩定提供額外的輔助作用。這些解決方案適用于短時間的瞬態情況，但并不旨在取代大型雙向儲能系統（水泵、氫氣、電池等），這些系統對于具有多個電源的現代電力系統中輸出能量的日常固有變化至關重要。本文概述了雙軸激勵與單軸激勵的同步發電機（SE-SGs）以及SC拓撲、建模和控制，以提高現代多源能源系統的穩定性。該調查包括多個案例研究，以闡明突出的方法。

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） 傳統同步和高溫超導電機的V曲線（b）AMSC的+/-8 MVAR HTS SC機器，突出了關鍵特征

作者信息

Ion Boldea(Life Fellow, IEEE)，他分別于1967年和1973年獲得羅馬尼亞蒂米什瓦拉蒂米什納拉理工大學電氣工程碩士和博士學位。他目前是蒂米什瓦拉理工大學的正教授。他在線性和旋轉電機、驅動器和磁電機方面廣泛撰寫或合著了研究論文（291篇論文，5395次引用，H索引：40 in Web of Science）。他撰寫或合著了許多書籍，在全球圖書館（WorldCat.com）有6000個入口。Boldea博士是2015年IEEE尼古拉·特斯拉獎的獲得者。

Adrian Daniel Martin(Member, IEEE)，分別于2017年和2023年獲得羅馬尼亞蒂米什瓦拉理工大學電氣工程碩士和博士學位。他目前是蒂米什瓦拉理工大學的講師，自2024年以來一直擔任該職位。此外，他還擔任羅馬尼亞埃森哲的MES MOM自動化高級分析師，并領導UPT的學生信息和咨詢辦公室。他的專業背景包括2024年在德克薩斯大學達拉斯分校的研究訪問期。他在Web of Science和IEEE索引期刊和會議錄上發表了許多科學論文。他的博士研究主要集中在改進的感應電機扭矩觀測器和虛擬負載上。他的研究興趣包括實時處理、狀態監測、工業應用中的扭矩和電氣參數分析以及自動化過程。Martin博士通過在電氣工程和自動化領域的教學、行政工作和研究，積極為學術界做出貢獻。

Lucian Tutelea(Member, IEEE)，分別于1989年和1997年獲得羅馬尼亞蒂米什瓦拉蒂米什納拉理工大學電氣工程學士學位和博士學位。他目前是蒂米什瓦拉理工大學電氣傳動和電力電子系的教授。他是丹麥奧爾堡大學能源技術研究所的訪問研究員（1997年、1999年、2000年和2006年）；2004年，與韓國首爾漢陽大學電氣工程系合作。Tutelea教授的主要研究興趣包括電機和驅動器的設計、建模和控制。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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