侯靈犀， 徐　琳, 魏應(yīng)冬， 姜齊榮, 丁理杰， 林瑞星

(1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 清華大學(xué)， 北京市 100084；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院， 四川省成都市 610072)

0　引言

微電網(wǎng)具有并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行模式。正常情況下微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，其電壓和頻率與外部電網(wǎng)一致，二者共同為負(fù)荷供電[1]。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部出現(xiàn)故障或進(jìn)行檢修時(shí)，需主動(dòng)與外部電網(wǎng)及負(fù)荷斷開，待故障恢復(fù)后再重新連通[1]；當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降等故障時(shí)，微電網(wǎng)則需由并網(wǎng)向孤島模式切換并維持負(fù)荷正常工作[2]。由于通信、醫(yī)療及高端制造等大量敏感負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量尤其是電壓穩(wěn)定性的要求日漸嚴(yán)格[3-5]，為保證負(fù)荷側(cè)電壓和頻率的穩(wěn)定，需要微電網(wǎng)在2種運(yùn)行模式之間快速平滑過渡，即實(shí)現(xiàn)“無縫切換”[6]。此外，微電網(wǎng)中各類發(fā)電和用電設(shè)備產(chǎn)生的無功、負(fù)序、諧波電流，可能影響系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定性，造成電能質(zhì)量的惡化[7-9]。因此，綜合治理微電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的電能質(zhì)量問題，也是微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要問題[10]。

微電網(wǎng)的可控開關(guān)連接在微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)之間，正常工作時(shí)始終導(dǎo)通外部電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的電流。由于可控開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間決定了微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島模式的切換速度，故其技術(shù)方案非常關(guān)鍵。采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等全控型器件構(gòu)成的可控開關(guān)響應(yīng)速度很快，但開關(guān)通態(tài)損耗大、過載能力差且成本較高[11]，實(shí)際較少應(yīng)用。而直接使用通態(tài)損耗小、過載能力強(qiáng)的雙向晶閘管[12]，其自然關(guān)斷時(shí)間最長達(dá)10 ms[13]，無法實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無縫切換，不滿足敏感負(fù)荷及大量電力電子設(shè)備的運(yùn)行要求。為提高切換速度，文獻(xiàn)[14-15]提出了晶閘管強(qiáng)迫換流的可控開關(guān)。這種方案利用并聯(lián)于負(fù)載側(cè)的電壓源變流器，在系統(tǒng)電壓故障期間控制負(fù)載側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)可控開關(guān)的強(qiáng)迫關(guān)斷。但這種方式僅適用于負(fù)載側(cè)不含分布式電源的應(yīng)用場(chǎng)合，針對(duì)微電網(wǎng)可控開關(guān)實(shí)施強(qiáng)迫關(guān)斷則存在潮流反轉(zhuǎn)而關(guān)斷失敗的可能[13]。并且，該方案中的電壓源變流器僅在電網(wǎng)電壓故障期間對(duì)可控開關(guān)進(jìn)行關(guān)斷或進(jìn)行不間斷電源(UPS)[16]運(yùn)行，在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)并無作用，使用效率很低。

文獻(xiàn)[17-18]提出一種基于諧振型電子開關(guān)的并聯(lián)型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(shunt-unified power quality controller，S-UPQC)，利用晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通構(gòu)造并聯(lián)諧振電路來關(guān)斷開關(guān)，除可對(duì)敏感負(fù)荷動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)外，還能對(duì)線路中的無功功率、諧波和負(fù)序等潮流進(jìn)行綜合補(bǔ)償。但其缺陷在于并聯(lián)諧振開關(guān)所用電感、電容體積大，成本較高，限制了工程應(yīng)用范圍。

基于以上分析，本文提出了一種適于微電網(wǎng)可控開關(guān)的無縫切換方案。采用S-UPQC控制晶閘管微電網(wǎng)側(cè)電壓，同時(shí)在晶閘管開關(guān)與外部電網(wǎng)之間構(gòu)造由電感、電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)，在外部電網(wǎng)電壓暫降瞬間形成諧振電壓，協(xié)助實(shí)現(xiàn)晶閘管的強(qiáng)迫關(guān)斷。通過數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計(jì)算確定了無源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本方案在外部電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時(shí)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與之無縫切換，確保敏感負(fù)荷可靠運(yùn)行，同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的電能質(zhì)量問題綜合治理。建立了典型算例的PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證該方法的有效性。

1　微電網(wǎng)開關(guān)強(qiáng)迫換流問題分析

如圖1所示，微電網(wǎng)通過可控開關(guān)與外部電網(wǎng)相接于公共連接點(diǎn)PCC1，通過對(duì)可控開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的控制，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)和孤島模式之間的切換[2]。當(dāng)可控開關(guān)采用雙向晶閘管的強(qiáng)迫換流方式時(shí)，需以電壓源變流器為基礎(chǔ)的電力電子裝置控制PCC2點(diǎn)即微電網(wǎng)側(cè)電壓。本文將S-UPQC并聯(lián)接入公共連接點(diǎn)PCC2，為三相四線制系統(tǒng)，包括DC-AC變流器、儲(chǔ)能單元、輸出濾波器等。在電網(wǎng)正常時(shí)，由S-UPQC提供無功、負(fù)序、諧波等電流補(bǔ)償；當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降時(shí)，S-UPQC控制PCC2點(diǎn)電壓強(qiáng)迫關(guān)斷可控開關(guān)，同時(shí)可利用儲(chǔ)能元件為微電網(wǎng)提供能量[17]。

圖1　基于S-UPQC的微電網(wǎng)可控開關(guān)示意圖Fig.1　Schematic diagram of microgrid controllable switch based on S-UPQC

若微電網(wǎng)可控開關(guān)采用雙向晶閘管的常規(guī)強(qiáng)迫關(guān)斷方案，其結(jié)構(gòu)由雙向晶閘管T1和串聯(lián)小電抗L1構(gòu)成，如附錄A圖A1所示。外部電網(wǎng)電壓正常工作時(shí)T1導(dǎo)通，微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)連通，記T1中流過的電流為i1。

當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓u1跌落時(shí)停止T1觸發(fā)信號(hào)，調(diào)節(jié)微電網(wǎng)側(cè)電壓u2使之滿足：

(1)

式中：di1/dt為所需關(guān)斷速度。

由于關(guān)斷時(shí)間短，u1-u2基本不變，i1線性減小至零。對(duì)式(1)左右同時(shí)積分得：

-i1L1=(u1-u2)Δt

(2)

因此，T1強(qiáng)迫關(guān)斷要求i1與L1兩端電壓的瞬時(shí)值符號(hào)相反。如果故障瞬間i1<0且u1>0(如附錄A圖A1箭頭及電壓極性所示)，則需u2

圖2　負(fù)荷側(cè)含分布式電源時(shí)雙向晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷失敗仿真結(jié)果Fig.2　Simulation results for forced turn-off failure of bidirectional thyristor when there are distributed generators on the load side

2　基于無源網(wǎng)絡(luò)的可控開關(guān)及其設(shè)計(jì)要求

針對(duì)現(xiàn)有微電網(wǎng)可控開關(guān)存在的問題，本文提出了基于無源網(wǎng)絡(luò)的可控開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　基于無源網(wǎng)絡(luò)的切換開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic diagram of the structure of switch based on passive network

這一開關(guān)由無源網(wǎng)絡(luò)(包括電感L、電容C、連接小電感L1)及雙向晶閘管T1組成。與強(qiáng)迫換流方案相比，僅增加了一組參數(shù)值較小的電感L和電容C，通過二者諧振，在電壓跌落瞬間支撐節(jié)點(diǎn)N處電壓，微電網(wǎng)側(cè)不需發(fā)生較大幅度的電壓下降即可實(shí)現(xiàn)T1強(qiáng)迫關(guān)斷，解決了強(qiáng)迫換流方案面臨的問題。

對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)，選擇無源網(wǎng)絡(luò)中的L和C參數(shù)時(shí)，為保證負(fù)載正常工作需滿足以下假設(shè)。

假設(shè)1：L1很小，為系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值的1%以內(nèi)，電網(wǎng)正常工作時(shí)，T1和L1上的壓降可忽略。

假設(shè)3：記零時(shí)刻發(fā)生電壓跌落故障，最大電壓跌落深度為a(百分?jǐn)?shù))，u10為0-時(shí)刻PCC1點(diǎn)電壓，則故障期間u1(t)=(1-a)u10(t)。

假設(shè)4：定義LC網(wǎng)絡(luò)開關(guān)切換時(shí)間為故障發(fā)生到T1中電流為零的時(shí)間，記為tS(通常不超過1 ms，但需滿足T1通態(tài)電流臨界變化率)，近似認(rèn)為此期間L1兩端電壓恒定，即晶閘管內(nèi)電流線性減小。

假設(shè)5：故障期間S-UPQC輸出電流的瞬時(shí)值不超過設(shè)定的最大值，即|i2G(t)|≤I2G,max。同時(shí)，用I2G表示S-UPQC額定輸出電流的幅值，定義裝置過載率c=|I2G,max/I2G|×100%。

假設(shè)6：故障期間PCC2點(diǎn)電壓滿足敏感負(fù)載的要求，不低于同一時(shí)刻正常電壓瞬時(shí)值的b(百分?jǐn)?shù))，即|u2(t)|≥b|u20(t)|，其中u20為正常情況下PCC2點(diǎn)電壓。

以上假設(shè)中，b由敏感負(fù)荷的工作要求決定，c由S-UPQC的容量決定。假設(shè)1，2，5，6為可控開關(guān)中電感、電容參數(shù)應(yīng)滿足的要求。

3　無源網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算方法

按電網(wǎng)電壓正常和故障2種情況分別計(jì)算系統(tǒng)中各電壓、電流量關(guān)于L和C的表達(dá)式，據(jù)此求解出相同無源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及故障下，造成微電網(wǎng)側(cè)電壓跌落深度最大的系統(tǒng)功率因數(shù)角，進(jìn)而在這一功率因數(shù)下求解符合第2節(jié)中假設(shè)的參數(shù)范圍。最后，在此范圍內(nèi)選擇最小的參數(shù)，即為所需的最優(yōu)解。

3.1　電網(wǎng)電壓正常時(shí)

在這一階段，由于S-UPQC的電流補(bǔ)償作用，電網(wǎng)輸出的電流近似為正弦波。由第2節(jié)中的假設(shè)1，忽略此時(shí)電感L1及晶閘管T1的壓降，將S-UPQC及微電網(wǎng)側(cè)簡(jiǎn)化為電流源，用i1(t)表示電網(wǎng)流經(jīng)T1的電流，得到如圖4(a)所示的電路。

根據(jù)圖4(a)列寫微分方程組求解uC和iS，有

(3)

圖4　不同運(yùn)行情況下的系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路圖Fig.4　Simplified system circuit diagrams under different operation circumstances

其中

uS(t)=UScos(ωt+φ)

(4)

i1(t)=I1cos(ωt)

(5)

解得：

(6)

(7)

式中：US為微電網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的PCC1點(diǎn)的電壓幅值；I1為i1(t)的基波幅值；ω為電網(wǎng)電壓角頻率；φ表示uS(t)超前i1(t)的夾角。

從后文仿真算例可見，φ與負(fù)載實(shí)際的功率因數(shù)角非常接近，誤差小于5%?？紤]微電網(wǎng)實(shí)際潮流情況，按有功功率在大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間相互傳輸，無功功率僅由大電網(wǎng)流向微電網(wǎng)，得到φ的范圍為(0,π)。在此范圍內(nèi)，電容C及S-UPQC共同補(bǔ)償微電網(wǎng)輸出的無功功率，S-UPQC可輸出感性或容性無功功率，因此有

(8)

式中：SMG為微電網(wǎng)的額定視在容量；QS-UPQC為S-UPQC可輸出的最大無功功率的絕對(duì)值。

將式(8)上下兩式相加，得到S-UPQC額定電流幅值應(yīng)滿足：

(9)

由式(6)可見，正常情況下u2頻率不發(fā)生突變。求解假設(shè)2的不等式，得到L應(yīng)滿足：

(10)

需要注意的是，由于實(shí)際系統(tǒng)中US可能存在一定的波動(dòng)，應(yīng)將其變化范圍的上下限值分別代入式(6)進(jìn)行求解，使得可控開關(guān)所選參數(shù)在其可能出現(xiàn)的變化范圍內(nèi)均滿足敏感負(fù)荷的工作要求。

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，S-UPQC補(bǔ)償微電網(wǎng)及負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率、諧波及負(fù)序電流，等效為電流源i2G。微電網(wǎng)端口電壓主要由其中的分布式電壓源決定，故將其等效為電壓源uMG，等值線路電抗為LMG。得到簡(jiǎn)化電路如圖4(b)所示。僅考慮基波正序分量，則i2G為無功電流，故設(shè)i2G=λI1sin(ωt+φ)(λ為S-UPQC補(bǔ)償電流與系統(tǒng)額定電流的幅值之比，由S-UPQC容量決定，通常-1<λ<1)，相量圖如附錄A圖A2所示，有

(11)

得到

(L1+LMG)I1ωsin(ωt)+

λLMGI1ωcos(ωt+φ)

(12)

由于LMG較小，λ變化時(shí)對(duì)上式的影響較小，故取λ=0近似計(jì)算。

3.2　電網(wǎng)故障情況下

在故障期間，同樣用電壓源uC表示節(jié)點(diǎn)N處電壓。S-UPQC調(diào)節(jié)PCC2點(diǎn)電壓，等效為電壓源u2G及連接電抗L2G；微電網(wǎng)端口仍等效為電壓源uMG和電抗LMG，得到簡(jiǎn)化電路圖如圖4(c)所示。

根據(jù)假設(shè)3，有

uS(t)=(1-a)UScos(ωt+φ)

(13)

根據(jù)假設(shè)4，有

(14)

將式(11)和式(12)及uC和iS的初值(即t=0時(shí)式(6)和式(7)的值)代入微分方程組式(3)，解得：

(15)

其中:

(16)

在晶閘管關(guān)斷過程中，有

(17)

將式(14)和式(15)代入式(17)，得到：

(18)

將式(18)與式(6)相減，得到故障期間電壓跌落如下：

(19)

(20)

于是Δu2(t)將在t=tS時(shí)達(dá)到最大。將Δu2(tS)對(duì)角φ求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零，得到：

(21)

上式在(0,π)范圍內(nèi)的解是唯一的。

在微電網(wǎng)側(cè)，有

(22)

易知iMG的初值為I1，將式(12)和式(18)代入式(22)，并對(duì)微電網(wǎng)側(cè)電流線性化，得到微電網(wǎng)側(cè)電流如式(23)所示。

(23)

根據(jù)基爾霍夫定律，對(duì)節(jié)點(diǎn)PCC2有i2G=i1-iMG,得到S-UPQC的輸出電流如式(24)所示。

晶閘管關(guān)斷但故障仍存在時(shí)，u2和i2G將逐漸恢復(fù)為正常時(shí)的電壓、電流，幅值逐漸減小。故u2最大跌落深度、i2G最大幅值均在t=tS時(shí)達(dá)到，應(yīng)將式(21)分別代入式(18)和式(24)計(jì)算。

(24)

3.3　無源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的最優(yōu)解

按式(9)計(jì)算S-UPQC的最小容量，代入式(8)得：

(25)

此外，按式(10)和式(20)求電感的取值范圍有解，故

(26)

以上兩式即可求得C的取值范圍。這一范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)每一個(gè)C，均可按式(10)和式(20)求解L的取值范圍。遍歷以上范圍內(nèi)的參數(shù)L和C，依次代入式(18)、式(24)進(jìn)行計(jì)算，選擇滿足假設(shè)5和6的最小參數(shù)即為最優(yōu)解。如在當(dāng)前S-UPQC容量下不存在滿足條件的解，則增大S-UPQC容量，重復(fù)以上步驟，直至找到最優(yōu)解。求解邏輯如附錄A圖A3所示。

在附錄A表A1所示工況下的計(jì)算結(jié)果為L=0.921 mH，C=0.392 mH，S-UPQC容量為28 kVA。相比諧振型電子開關(guān)，同樣容量及故障情況下，基于無源網(wǎng)絡(luò)的可控開關(guān)顯著減小了裝置體積，降低了成本，提高了實(shí)用性。在這一工況下，T1關(guān)斷過程中的電流變化率為0.091 A/μs，不超過常見晶閘管的使用要求，例如使用型號(hào)為BT137-600的晶閘管，臨界通態(tài)電流變化率為0.2 A/μs[19]。

4　仿真驗(yàn)證

4.1　系統(tǒng)及故障描述

仿真中系統(tǒng)工況如附錄A表A1所示，L=0.921 mH，C=0.392 mF。S-UPQC雙向AC-DC變換器為三相四線制兩電平全橋結(jié)構(gòu)，直流母線電壓為750 V，脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)頻率為20 kHz，控制邏輯如附錄A圖A4所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)S-UPQC采用電流前饋控制對(duì)系統(tǒng)諧波、負(fù)序、無功電流進(jìn)行補(bǔ)償；電網(wǎng)電壓跌落、晶閘管正在關(guān)斷期間S-UPQC采用電壓前饋控制調(diào)整PCC2點(diǎn)電壓；微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)S-UPQC采用電流前饋控制根據(jù)微電網(wǎng)需求提供電流補(bǔ)償。圖中i2G,k和u2G,k(k=A,B,C)分別為S-UPQC三相輸出電流和電壓，i2G,k,REC和u2G,k,REC為其對(duì)應(yīng)的參考值，除以系數(shù)Ud/2是對(duì)逆變器線性放大環(huán)節(jié)進(jìn)行的“歸一化”處理。比例—積分(PI)控制器參數(shù)如附錄A表A2所示。系統(tǒng)電壓跌落采用兩點(diǎn)法檢測(cè)[20]。

4.2　故障恢復(fù)后切換開關(guān)的接通過程分析

如上所述，晶閘管開關(guān)關(guān)斷后，S-UPQC切換為電流模式，根據(jù)微電網(wǎng)所需的電流幅值及相位(通常與故障前的外部電網(wǎng)提供的電流相同)進(jìn)行電流補(bǔ)償。當(dāng)故障清除、電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，切換開關(guān)兩端的PCC1和PCC2點(diǎn)電壓幅值相近，相位可能存在差別。如果相位差別較大，由于PCC2點(diǎn)電壓由微電網(wǎng)和S-UPQC共同影響，因此需控制微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源緩慢調(diào)整其輸出電壓的相位，S-UPQC仍按微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的需求輸出電流。

當(dāng)切換開關(guān)兩端的電壓差峰值小于系統(tǒng)額定電壓峰值的5%后，在S-UPQC輸出電流過零時(shí)刻，接通切換開關(guān)中晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)將S-UPQC輸出電流參考值調(diào)節(jié)至零，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再根據(jù)此時(shí)系統(tǒng)的電流情況進(jìn)行補(bǔ)償。

4.3　故障情況下微電網(wǎng)切換的仿真結(jié)果

電網(wǎng)單相電壓跌落50%情況下，無源網(wǎng)絡(luò)諧振情況如圖5(a)所示。電網(wǎng)單相跌落99%、三相電壓跌落80%、AB相間短路故障及故障恢復(fù)后開關(guān)重新接通的仿真結(jié)果如圖5(b)至(e)所示，故障時(shí)長均為2 s。仿真中開關(guān)切換時(shí)間為0.7 ms左右，電壓較為平穩(wěn)，S-UPQC過載率小于200%，開關(guān)關(guān)斷及重新接通過程較為平穩(wěn)，可以保證負(fù)載以及S-UPQC長期穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了所提可控開關(guān)的可行性。

圖5　系統(tǒng)故障及恢復(fù)期間的仿真結(jié)果Fig.5　Simulation results in different fault circumstances and fault recovery procedure

5　結(jié)語

本文提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，通過基于無源網(wǎng)絡(luò)的微電網(wǎng)可控開關(guān)，在大電網(wǎng)電壓波動(dòng)期間，保持微電網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定，并將其快速與電網(wǎng)斷開，提高電能質(zhì)量，減少經(jīng)濟(jì)損失。通過數(shù)學(xué)建模和數(shù)值計(jì)算確定了無源網(wǎng)絡(luò)中電感和電容參數(shù)，通過典型算例的PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證了基于無源網(wǎng)絡(luò)的可控開關(guān)設(shè)計(jì)原理和控制策略的有效性。需要補(bǔ)充說明的是，受實(shí)驗(yàn)室目前儀器設(shè)備條件所限，無法很好地模擬微電網(wǎng)運(yùn)行特性，暫時(shí)無法提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在驗(yàn)證所提微電網(wǎng)可控開關(guān)方案應(yīng)用于實(shí)際裝置的可靠性方面存在一定的不足。因此，在未來的研究中，將繼續(xù)這一方案的裝置設(shè)計(jì)、安裝及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

本文中實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和仿真數(shù)據(jù)的記錄工作得到了四川省電力公司科技項(xiàng)目(521997150019)的大力支持，在此表示衷心的感謝。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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徐琳(1984—)，女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：新能源并網(wǎng)控制與仿真、電能質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)估分析。E-mail： 191861187@qq.com

魏應(yīng)冬(1979—)，男，通信作者，博士，講師，主要研究方向：柔性交流輸配電系統(tǒng)建模與控制、電能質(zhì)量分析與控制。E-mail： wyd@tsinghua.edu.cn