静止无功补偿器SVG发展及应用.docx
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静止无功补偿器SVG发展及应用
静止无功发生器SVG发展及应用
1.电能质量
交流输电功率包括有功功率和无功功率。
在有功功率不变的情况下，无功功率越大就会使功率因数降低，视在功率增大，从而需要增大发、输、配电设备的容量，增加投资和电力损耗费用；使输电线路电压降变大，不利于有功电力的输送与合理应用。
但如果无功储备不足将会导致电网电压水平降低，冲击性的无功功率负载还会使电压产生剧烈的波动，恶化电网的供电质量。
对于给定的有功分布，要想使无功潮流最小以减少系统的损耗，就要求对无功功率的流向与转移进行很好的控制。
随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的重要性与日俱增：
①输电网络对运行效率的要求日益提高，为了有效利用输变电容量，应对无功进行就地补偿；②电源（尤其水电）远离负荷中心，远距离的输电需要灵活调控无功以支撑解决稳定性及电压控制问题；③配电网中存在大量的屯感性负载，在运行中消耗大量无功，使得配电系统损耗大大增加；④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制；⑤用户对于供电电能质量的要求日益提高。
因此，对电网的无功进行就地补偿，尤其是动态补偿，在输配电系统中十分必要。
随着现代电力电子技术的发展，大量的大功率整流、变频装置应用于电力系统，由于这些设备大部分功率因数较低，在工作过程中需要大量的无功功率，给国家电网带来了很大的额外负担，直接影响到了电网的质量。
电力电子装置本身还是一个谐波源，这些设备的大量应用使电网上的谐波污染日趋严重，严重影响了电力系统的供电质量，同时使系统留下严重的安全隐患。
2.无功补偿
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2.1.FACTS简介
柔性交流输电系统（以下简称FACTS）是美国电力研究所（ElectricPowerResearchInstitule，EPRI）N.G.Hnigornai博士于1986年首先提出。
它具有控制速度快、控制灵活、可靠性高、可连续调节、可迅速改变潮流分布等优点。
近年来成为电力系统稳定控制的一个重要研究方向。
目前，主要的FACTS装置包括三大类。
第一类为并联装置，如静止无功补偿器（StaticVarCompensator，SVC），它能够根据无功功率的需求自动补偿；静止无功发生器（StaticVarGenerator，SVG），它是最新出现的一种并联补偿装置，这是本文研究的主要对象。
第二类为串联装置，如静止同步串联补偿器（StaticSynchronousSeriesCompensator，SSSC）、晶闸管控制串联电容器（ThyristorControlledSeriesCapacitor，TCSC）等。
第三类为混合装置，如统一潮流控制器（UnitedPowerFlowConrtollor，UPFC）相间潮流控制器（InterphasePowerController，IPC）等。
图2.1无功补偿装置发展概况
传统的静态无功补偿装置是无功补偿电容器，它具有结构简单、经济、方便等优点。
但是，它的阻抗是固定的，不能跟随负荷无功需求变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。
且目前由于电力公司推行无功“返送正计”，即过补偿视为欠补偿，不可调的静态无功补偿会使功率因数大幅下降，所以要研究可调无功补偿技术。
2.2.可调无功补偿技术方案
近几年，结合国外的先进技术，我国在无功补偿与谐波综合治理提出了许多可调无功补偿方案，无论哪种方案，都是力求基波下补偿牵引负荷感性无功功率，提高功率因数，并滤除（或抵消）指定谐波。
主要方案有：
（1）真空断路器投切电容器。
最大的优点是简单、投资省；缺点是合闸时，投切滤波支路有一个暂态的过程，会产生过电流过电压，影响电容器及串联电抗器的可靠运行；切除滤波支路时，触头上恢复电压较高，有开关重燃的可能，多次重复击穿时，电容器上产生很高的过电压，致使设备损坏。
对电容器的投切冲击，IEC规定不超过1000次/年，加之开关寿命的限制，不能频繁投切，从而影响动态补偿效果。
（2）固定滤波器＋晶闸管调节电抗器（TCR）。
固定滤波器按谐波要求设计，反并联晶闸管与电抗器串联，通过改变晶闸管触发角来调节流过电抗器的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功补偿电流平衡，满足功率因数要求。
优点是固定滤波器长期投入，需要的晶闸管数量少，响应速度快，调节性能好，缺点是TCR也产生谐波。
（3）固定滤波器＋晶闸管调节变压器（TCT）。
用高漏抗变压器代替方案
（2）中的电抗器即得到这种补偿方案。
由于高漏抗变压器制造麻烦，有功损耗大，这种补偿方案并没有得到广泛应用。
（4）固定滤波器＋可控饱和电抗器。
调节饱和电抗器的饱和程度来改变流入回路的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功功率得以平衡，优点是固定并联滤波支路长期投入，不需投切，实现光滑可调，但同TCR一样要产生谐波，有损耗，噪声大。
（5）晶闸管投切电容器（TSC）。
按照一定的寻优模式，设计多组某次或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，分级改变补偿装置的无功出力；滤波器某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐波。
优点是损耗小，结构简单，速度响应快，不产生谐波，可以实现过零投切，不会产生像真空形状那样严重的过电压，缺点是每级都配相应的晶闸管，滤波效果受系统特性和投入组数的影响，一次性投资大。
（6）固定滤波器（FC）＋调压电容器（TC）＋调压电抗器（TL）。
通过调节降压变压器低压侧的母线电压来调节连接在低压母线上的滤波器或电抗器的电压，从而改变其无功出力。
调节时，用晶闸管通断，分接开关无载调节，可充分利用分接开关的机械寿命（达50－100万次）和晶闸管的电气寿命（理论上不受限制）。
在实际应用中，也可加装FC来提供稳定的无功功率和实现滤波。
（7）有源补偿器。
使用电力电子装置产生与负荷中谐波电流、负序电流相位相反的电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波、无功电流的要求。
这种方案补偿灵活，调节速度快，不会与系统发生谐振，但因电力电子设备价格昂贵，尚未得到广泛应用。
（8）无源补偿器＋有源补偿器。
采用有源滤波器产生与负荷中谐波电流相位相反的谐波电流，使其相互抵消来满足电源的总谐波电流的要求。
比较成功的是无源、有源混合滤波器，它能扬长避短，充分利用无源补偿的大容量和有源补偿的灵活性、可控性，但其结构复杂、造价高、运行费用高。
这一技术正在研究阶段。
2.3.有源滤波与静止无功补偿技术
近年来国外有关单位对装设补偿装置综合治理电能质量的问题进行了广泛的研究和试验，提出了许多方案，其中有的方案已在现场实施投运。
其中研究比较多的是有源滤波和静止无功补偿技术。
所谓静止无功补偿，是指不用旋转元件而用不同的开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抵制系统振荡等功能。
静止无功补偿装置主要有晶闸管控制电抗器（TCR；ThyristorControlledReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：
ThyristorSwitchedCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVarCompensator），还有基于可关断器件的静止无功发生器（SVG：
StaticVarGenerator）
（1）晶闸管控制电抗器（TCR）
两个反并联的晶闸管与一个线性电抗器相串联，其单相原理图如图2.2所示，其三相多接成三角形。
当触发角α=90°时，晶闸管全导通，此时电抗器吸收的无功电流最大；当触发角α=180°时，导通角σ=0°，此时电抗器无功电流为零。
图2.2TCR补偿原理
导通角与补偿器等效导纳之间的关系为：
（2.2）
触发角与导通角的关系为：
（2.2）
根据式（2.1）、（2.2）可知增大触发角α即可减小导通角σ，从而减小补偿器的等效导纳，这样就会减小补偿电流中的基波分量，所以通过触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果。
由于单独的TCR只能吸收无功功率，而不能发出无功功率，为了解决此问题，可以将并联电容器与TCR配合使用，构成静止无功补偿器SVC（FC+TCR）。
（2）晶闸管投切电容器（TSC）
为了解决电容器组频繁投切的问题，TSC装置应运而生。
两个反并联的晶闸管将电容器并入电网或从电网中断开，串联小电抗器用于抑制电容器投入电网时可能产生的冲击电流。
一般在补偿母线上设置几组合适的电容器支路（实际应用中一般设置成单调谐滤波器），TSC控制器根据牵引网电压与电流来计算需投入的电容器支路数量，按一定的寻优模式，通过晶闸管电子开关控制电容器支路的投入与切除，实现有级调节无功功率的目的，最终使得系统的功率因数保持在较高的水平。
为节约投资，实际应用中是将牵引母线电压通过协调变压器降到一定的电压水平。
TSC型静止无功补偿装置响应速度快，对无功电流有很好的补偿效果。
TSC装置一般与电抗器相并联，构成SVC（TSC+TCR），以电容器作分级粗调，以电感作相控细调。
（3）有源滤波器（APF）
SVC抑制谐波所采取的措施主要是将固定电容器支路设置为滤波器，滤除牵引负荷产生的3、5、7次谐波电流。
应该看到，此措施对抑制谐波有一定的效果，但为了防止系统产生谐振，在实际应用中滤波器不能完全调谐，因此效果有限，不能很好地滤除注入系统的谐波。
抑制谐波的一种趋势是使用APF。
根据与系统连接方式的不同，APF分为串联型和并联型两种形式，在实际应用中主要采用并联型APF。
并联型APF可单独使用，也可与无功补偿装置结合使用，其结合方式可与无功补偿装置并联，也可与无功补偿装置串联。
这种滤波器采用全控型器件，工作在电压源变流器模式，通过实时控制，对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，已在日本、欧美等国家获准广泛应用，并取得良好的效果。
（4）静止无功发生器SVG
SVG采用全控型器件。
由于工作在电压源变流器模式，它不需要大容量的电抗器和电容器等储能元件。
改变控制方法可使其发出的无功功率呈电容性，也可使其吸收的无功功率呈电感性，且可实现连续调节。
采用PWM控制或多重化的结构，使其输出电流接近正弦波，不需附加额外的滤波器具体结构。
从理论上讲，使用SVG补偿装置可使功率因数、谐波及负序均能达到满意的结果。
此类装置自上个世纪90年代中期以来，已在日本新干线上使用。
在我国，在国家重点项目京沪线电气化改造工程中南翔牵引站采用了SVG方案，这也是国首例电气化铁路主动在牵引站加装SVG装置。
3.SVG介绍
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3.1.静止无功发生器主电路的拓扑结构
SVG的主电路有电压型桥式和电流型桥式两种类型。
直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。
对电压型桥式电路，还需要串联连接电抗器才能并入电网，电抗器能滤除装置投入时产生的谐波；对电流型桥式电路，还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。
其电路基本结构分别如图3.1所示。
图3.1SVG的电路基本结构图
a）采用电压型桥式电路b）采用电流型桥式电路
在单相电路中，在负载和电源之间来回往返的是与基波无功功率有关的能量。
但在三相平衡的系统中，不论负载功率因数是多少，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都等于三相总的有功功率。
总的来看三相电路中电源和负载之间没有无功能量的传递，各相的无功能量是在三相之间来回往返的，在总的负载侧也就无需设置无功储能元件。
因此，需要将三相各部分统一处理，而SVG正是将三相的无功功率统一处理的装置。
理论上来说，SVG直流侧无需储能元件，但由于实际电路中存在谐波，能量会在SVG与电源之间交换。
因此，通常会在SVG的直流侧接上一定容量的储能元件（电容或电感），但这种储能元件的容量远比SVG所能提供的无功容量小的多。
SVC所需储能元件的容量要大于等于其能提供的无功功率的容量。
因此，同容量条件下，就储能元件的体积大小而言SVG要比SVC要小的多。
电流型桥式电路发生短路故障时危害比较大，且效率低。
所以在实际工程应用都采用电压型桥式电路。
本文也将只对采用自换相的电压型桥式电路的SVG进行研究。
3.2.静止无功发生器的基本工作原理
SVG的工作原理就是将自换相逆变器主电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节逆变器主电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者通过对其交流侧电流直接控制，近而可以使该SVG发出或吸收目标无功电流，实现动态无功补偿。
SVG通过控制电力半导体开关器件的通断完成将直流侧电压转换成交流侧输出电压（频率同电网相同）。
因此，正常工作时SVG就像一个交流侧输出接电网的电压型逆变器。
当仅考虑基波频率时，SVG可以等效为一个与电网电压同频率的交流电压源，且这个电压源的幅值和相位是可控制的。
图3.2为SVG的工作原理图（忽略其损耗时）。
其中，
：
电网电压；
：
SVG输出的交流电压；
：
电抗器L上的电压（
和
的相量差）。
由基尔霍夫电压定律可得
，
为接电抗器上通过的电流，也是SVG从电网侧吸收的电流，控制
近而可以控制
。
如图3.2所示在不考虑逆变器的损耗和SVG本身损耗，并将连接电抗器视为纯电感时，SVG不从电网吸收能量。
在上述情况下，只需使
和
同相位，仅改变
的幅值大小即可实现SVG从网侧吸收的电流
的大小和方向的控制。
具体控制相量原理如图3.2（b）所示。
当
<
时，电流滞后电压90°，工作在感性工况下，吸收感性无功；
当
>
时，电流超前电压90°，工作在容性工况下，吸收容性无功；
当
=
时，电流电压同相，不吸收无功。
图3.2SVG等效电路及工作原理图（不计损耗）
a）单相等效电路b）向量图
在考虑损耗情况下，（如连接电抗器的损耗、逆变器本身的损耗），并将总的损耗等价为连接电抗器的电阻，在如此情况下SVG的等效电路如图3.3（a）所示，其工作原理如图3.3（b）所示。
图3.3SVG等效电路及工作原理图（计及损耗）
a）单相等效电路b）向量图
由图3.3可知，此时
与
相差90°，
与
相差比90°略小δ角，因此，必须有有功功率交换来供给整个装置的器件及开关损耗。
也就是说，电流
既有
无功分量也有一定量的有功分量。
与
的相位差也是δ角。
由图3.3（b）所示其工作原理经计算可得SVG从电网吸收无功公式：
。
调节δ即可调节SVG从电网吞吐无功功率，如图3.3（b）所示。
当δ<0时，Q<0，即当
>
时。
SVG工作于容性工况，i超前
，吸收容性无功；
当δ>0时，Q>0，即当
<
时。
SVG工作于感性工况，i滞后
，吸收感性无功；
当δ=0时，SVG不吸收无功。
在图3.4中，将SVG本身的损耗也等价到连接电抗器电阻中考虑。
事实上，这部分损耗发生在逆变器部，应该由逆变器从交流侧吸收的有功能量补充。
因此，实际上
与
的相位差比90°略小。
工程实际中还有一种在直流侧并联直流电压源（如蓄电池）提供损耗能量的方案。
其工作原理图如图3.4所示。
在相位上，电流与网侧电压相差90°，与变流器输出电压的相差90°+δ。
图3.4损耗能量由直流侧电源提供时SVG的工作向量图
3.3.常见的几种无功电流检测方法
基于傅立叶（Fryze）传统功率定义来构造的检测方法。
原理：
将负荷电流分解为一个与电压波形完全一致的电流分量和剩余电流分量，将剩余分量定义为广义无功电流（包括谐波电流）。
缺点：
其定义建立在平均功率基础上，要进行一个周期的积分才能求得瞬时有功电流，加辅助运算电路，至少得延时几个周期。
因此实时性不好。
基于频域分析的FFT检测法。
原理：
用FFT获取各次谐波信号的相位、频率和幅值。
缺点：
需进行两次FFT变换，耗时约需80ms，适时误差大，电压畸变引起非同步采样误差，特别影响高次谐波的检测精度。
FFT检测法得到了广泛的应用，但其检测精度有待提高。
自适应无功电流检测方法。
原理：
该方法基于自适应噪声对消原理，经过自适应滤波处理，将输出负载电流中的有功分量从负载电流中减去近而得到高次谐波和无功分量。
优点：
此算法不受电压波形畸变和元器件参数变化的影响，这种电流检测方法能自适应跟踪检测电流。
缺点：
但动态响应慢。
基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法。
原理：
先将电压、电流通过abc/αβ坐标变换成αβ坐标系上的矢量，将电流、电压矢量的点乘定义为瞬时有功功率；然后再通过αβ/abc将这些功率变换成三相补偿电流。
优点：
突破了在“平均值”基础上定义的传统功率理论，实现了无功电流的实时检测。
对于三相平衡系统该方法电流检测的实时性更强，加快补偿系统控制速度，可以获得较好的补偿效果。
基于神经网络的电流检测方法和基于小波分析的电流检测方法是目前正在研究的新方法，是具有潜力但不成熟的新型电流检测方法，在此不作介绍。
3.4.SVG和SVC优劣性比较
在线性运行围，SVG和SVC的U-I特性及在补偿功能方面的特性相似；但另一方面，由逆变器构成的无功发生器SVG的运行功能相当于并联在线路上的同步电压源，而由晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）组成的SVC与电网并联时，它相当于可控的无功电抗。
从基本运行差异来看，SVG具有电压源特性，SVC具有无功电抗特性，因而SVG的整体性能比SVC优越，其应用的灵活性也比SVC好。
（1）SVG、SVC的U-I和U-Q特性比较
SVG具有图3.5（a）所示的U-I特性和图3.6（a）所示的U-Q特性，它一般安装在耦合变压器后面，作为一种电压源。
由图可见，SVG的运行可以超出它的全额电流输出围，甚至在非常低的系统电压作用下，也能够维持它的输出电流不变。
理论上可以是零电压，但一般指系统电压为0.2p.u。
也就是说，SVG的最大容量性或感性输出电流可以不依赖交流系统电压，它输出或吸收的最大无功容量会随着交流系统电压的改变而线性变化。
与SVG相比、SVC由晶闸管投切电容和电感所组成，在完全输出时就变成了固定的容性导纳。
因此，SVC可达到的最大补偿电流随交流电压的降低而线性减少，而它的最大无功输出则与该电压的二次方成正比，图3.5（b）和图3.6（b）即为SVC的输出电流、输出无功与端电压的关系。
SVG之所以优于SVC，主要表现在当系统出现大的扰动时，SVG能够支撑电压，而这种大的扰动有可能使电压的偏移远远超出补偿器线性的运行围。
在电压严重下降的情况下仍能提供最大的补偿电流性能，使SVG在各种应用中与较高额定值的SVC所表现出的暂态补偿能力差不多相等。
因此，为了保证相应的暂态性能，SVC的容量一般应选得大一些。
图3.5（a）和图3.6（a）表明，SVG可以增加感性或容性暂态运行的额定容量，至于增加多少，则取决于所使用的功率半导体器件的额定值。
SVC则无法增加它的暂态无功输出，这是因为它能提供的最大容性补偿电流受到它的容量大小和系统电压幅值的严格限制。
而SVG在容性运行围可达到的最大瞬时过电流，完全取决于所使用的功率半导体器件的最大关断电流。
图3.5SVG和SVC的U-I特性比较
a）SVG的U-I特性图b）SVC的U-I特性图
图3.6SVG和SVC的U-Q特性比较
a）SVG的U-Q特性图b）SVC的U-Q特性图
2）SVG、SVC暂态稳定性比较
SVG在系统电压很低时能够保持输出全部容性电流的能力，使得它在改善系统的暂态稳定性方面比SVC更加有效，特别是对第一振荡周期所发挥的稳定作用。
（3）SVG、SVC响应时间比较
SVG的典型响应时间为200-350µs、而SVC响应时间在2.5-5.0ms。
（4）SVG、SVC交换有功功率的能力比较
SVG可以通过适当的储能接口与交流系统交换有功功率，SVC无法实现这一功能。
（5）SVG、SVC在不平衡交流系统运行下的性能比较
对于SVC，在不平衡交流系统情况下，每相都必须建立一个相同并联导纳的控制，因此每相的补偿电流就可能不同。
这样会产生三次谐波，需要安装滤波器。
而SVG的直流侧和交流侧的瞬时功率任何时候都相等，则不会出现这样情况。
（6）SVG、SVC实际尺寸与安装的比较
从设备安装角度来看，由于SVG不仅能控制无功功率，而且它还能够自己产生容性或感性的无功输出功率。
但普通SVC要做到这一点，则需要多组大电容和电感的组合，还需要必须的开关设备及相应的保护装置，而SVG不需要这些。
因此，SVG的体积可以做得很小，一般可以减少大约30%-40%的体积，由此所产生的安装工作和设备成本会大大减少。
（7）SVG、SVC损耗比较
两类补偿器在零无功输出时，损耗都非常低约为0.1﹪～0.2﹪。
总体来说SVG的总损耗要比SVC的损耗要高。
但随着控制技术的进步SVG的总体损耗会越来越低。
4.SVG的研究现状及发展趋势
SVG是20世纪70年代末随着电力电子技术的发展而逐渐发展起来的，自1976年美国学者L.Gyugyi提出利用半导体逆变器进行无功补偿的理论以来，世界各国对SVG理论研究和工程应用方兴未艾。
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4.1.SVG的国外应用实例
在国外，自1980年日本三菱公司和关西电力公司推出世界上第一台采用晶闸管强迫换流的20MVA的SVG并网以来。
世界各大电力公司竞相研究并抢占这一领域。
详情见表4.1。
表4.1国外主要SVG投运情况表
除了输电系统以外，SVG成功的运用于发电和配电系统，比较典型的如1997年丹麦的赖斯比/海德项目就是利用±8Mvar的SVG改善24MW的风力发电厂的电能质量；1999年美盛顿州的西雅图钢铁公司安装了一套5Mvar、416KV配电静止无功补偿（D-SVG），该装置的主要目的之一就是补偿4000马力碾碎机电动机的电压闪烁；1998年美国德克萨斯州的某公司安装了一套包含±80MvarSVG的系统，该项目标志着SVG正式进入电弧炉的补偿领域。
在国，对静止无功发生器的研制最早是在高校实验室，以后陆续扩展到电
力公司，业已部分产品投入使用。
详情见表4.2。
表4.2国SVG投运情况表
4.2.SVG发展趋势
由于SVG的优越性能，受到国外专家广泛的关注，并且取得了诸多的成果，特别是在数学模型的建立，物理模型的研究及控制方法方面。
近年来对SVG的研究主要有对SVG的主电路结构的研究、对新的电力电子器件在SVG中的应用研究、以及对SVG控制策略的研究等。
（1）对SVG的主电路结构的研究，早期：
多重化的方波逆变器；现代：
主要以PWM逆变器形式，并将多电平与多重化结合。
（2）对新型电力电子器件在SVG中的应用研究，早期：
以GTO为主；现代：
趋向IGBT和IGCT，但GTO仍在使用。
容量较小为如几十兆伏安以下的场合，采用IGBT的趋势更多。
（3）对SVG控制策略的研究：
SVG的控制器设计方法大致集中于以下几个方面；
线性PID控制
从已公开投运的SVG来看大部分的控制器设计，都是采用经典PID。
它们要么对PI控制进行局部改进，要么引入PSS辅助线路。
优点：
维持接入点的电压基本不变。
缺点：
进行了局部线性化变换，近而限制了SVG的使用围，尤其在扰动比较大情况下，很难保证系统电压的稳定性。
最优控制
有关文献研究表明有将SVG和发电机的电压调节器（励磁控制器）相配合的控制方式。
优点：
提高电压的稳定性，提高系统的阻尼系数。
缺点：
基于局部线性化模型的设计，在强耦合、非线性的电力系统中控制效果差。
自适应控制
自适应控制在某种意义上克服了经典PID控制过分依靠精确数学模型（被控对象）的缺点。
优点：
控制效果优于基于固定参数的控制，在较大的扰动下，仍具有良好的稳定性。
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