帶有源電力濾波功能的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

杜春水 張承慧 劉鑫正 陳阿蓮

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 濟(jì)南 250061）

帶有源電力濾波功能的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

杜春水 張承慧 劉鑫正 陳阿蓮

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 濟(jì)南 250061）

針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器由于晝夜、天氣陰晴變化導(dǎo)致其利用率低的問(wèn)題，提出了一種基于負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)和考慮負(fù)載輕重的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電和有源電力濾波統(tǒng)一控制策略，并給出了指令電流合成方法。該策略在保證最大光伏電能并網(wǎng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載諧波與無(wú)功電流的最佳補(bǔ)償，尤其輕載時(shí)無(wú)需諧波電流檢測(cè)，極大地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。該系統(tǒng)基于DC/DC/AC高頻鏈電路結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中工頻變壓器耗材嚴(yán)重的不足。用Matlab/Simulink對(duì)提出的控制策略進(jìn)行建模仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該策略的有效性。

光伏并網(wǎng)發(fā)電 有源電力濾波 諧波檢測(cè) 負(fù)載類(lèi)型辨識(shí) 限幅算法

1 引言

光伏發(fā)電是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最具發(fā)展前景的新能源發(fā)電形式之一，而并網(wǎng)發(fā)電已成為規(guī)?；夥玫闹饕l(fā)展趨勢(shì)[1-3]。由于晝夜交替和天氣陰晴變化，導(dǎo)致了光伏發(fā)電的間歇性和逆變器容量的利用率低等問(wèn)題。而并聯(lián)型有源電力濾波器與并網(wǎng)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)是一致的，為充分利用逆變器容量，節(jié)約用戶(hù)的投資成本，因此具有有源電力濾波功能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的重視[4-8]。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源濾波統(tǒng)一控制策略的報(bào)道中，較少考慮負(fù)載的實(shí)際工況，且其逆變器大多采用單級(jí) DC/AC結(jié)構(gòu)[6-8]。而目前國(guó)際上要求較大功率光伏并網(wǎng)逆變器必須采用變壓器隔離。因此，一般還需要增加工頻變壓器隔離。這不但增加了設(shè)備體積和系統(tǒng)成本，而且限制了諧波補(bǔ)償?shù)膸?。由于光伏逆變器開(kāi)關(guān)器件的額定電流余量有限，往往不能實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)處負(fù)載的諧波和無(wú)功電流全補(bǔ)償，因此需要對(duì)諧波和無(wú)功電流限幅。雖有文獻(xiàn)討論不同負(fù)載類(lèi)型時(shí)，諧波限幅算法對(duì)諧波抑制的影響，但其負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)以及諧波檢測(cè)算法[5]，僅限于DC/AC結(jié)構(gòu)的單相光伏逆變器，不能直接用于三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于DC/DC/AC結(jié)構(gòu)具有有源電力濾波功能的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略。首先利用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum-Power-Point Tracking，MPPT）；然后根據(jù)光伏發(fā)電功率與電網(wǎng)接入點(diǎn)的負(fù)荷情況分析，確定相應(yīng)的指令電流合成策略。最后用Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了新穎控制策略的有效性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

基于高頻鏈DC/DC/AC結(jié)構(gòu)的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 DC/DC/AC三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram of three-phase

DC/DC/AC grid-connected PV generation system

DC/DC部分主要完成光伏電池陣列最大功率跟蹤，并利用高頻鏈技術(shù)將低壓波動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換成并網(wǎng)逆變器需要的穩(wěn)定高壓直流電[9-10]。該變換器利用移相式全橋軟開(kāi)關(guān)電路拓?fù)鋄9]，提高了系統(tǒng)的效率和功率密度。系統(tǒng)內(nèi)環(huán)通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)跟蹤光伏電池陣列的最大功率點(diǎn)，電壓外環(huán)保證后級(jí)有源逆變器的直流側(cè)電壓恒定。

DC/AC部分采用并聯(lián)型有源濾波器三相橋式逆變電路拓?fù)鋄11]，輸出并網(wǎng)電流利用LCL型濾波器濾波，消除了工頻變壓器的帶寬限制，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，改善了系統(tǒng)對(duì)高次諧波的補(bǔ)償效果。該部分主要完成并網(wǎng)鎖相和逆變輸出電流的閉環(huán)跟蹤控制。在逆變器容量允許的范圍內(nèi)，采用電流滯環(huán)控制技術(shù)[12]跟蹤合成的電流指令，在保證光伏能量注入電網(wǎng)的同時(shí)，補(bǔ)償并網(wǎng)接點(diǎn)的負(fù)載諧波和無(wú)功電流，改善電能質(zhì)量。

基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812的控制器，保證了系統(tǒng)運(yùn)算處理的實(shí)時(shí)性和控制策略實(shí)現(xiàn)的靈活性。無(wú)論光照強(qiáng)弱或在夜間，并網(wǎng)逆變器的容量都能夠得到充分利用，改善了并網(wǎng)處的電能質(zhì)量。

3 諧波電流檢測(cè)算法

諧波電流檢測(cè)是有源濾波的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的諧波檢測(cè)方法需要一個(gè)周期的電壓、電流數(shù)值，有較大延時(shí)。而本文利用先進(jìn)的 ip-iq瞬時(shí)無(wú)功功率理論實(shí)現(xiàn)了三相諧波電流快速檢測(cè)[11,13]，其工作原理如圖2所示。

圖2 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)Fig.2 Harmonics current detection based on the theory of instantaneous reactive power

式中 ω —電網(wǎng)角頻率。

將負(fù)載電流兩次坐標(biāo)變換得到有功電流和無(wú)功電流，經(jīng)低通濾波和坐標(biāo)反變換，可求出負(fù)載基波電流則負(fù)載諧波電流 ih=為若圖2中無(wú)功電流iq=0，則式（1）所得結(jié)果為負(fù)載諧波和無(wú)功電流之和。

在基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)中，數(shù)字低通濾波器[14]性能?chē)?yán)重影響諧波補(bǔ)償效果。本文綜合考慮濾波效果和系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，選擇設(shè)計(jì)參數(shù)少，易于 DSP實(shí)現(xiàn)的無(wú)限沖擊響應(yīng)二階Butterworth數(shù)字低通濾波器。設(shè)定采樣頻率fS=20kHz，截止頻率fC=5Hz，設(shè)計(jì)得到數(shù)字低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，其對(duì)應(yīng)的差分方程為

式中 x(n) —第n次采樣值；

x(n?1) —第n?1次采樣值；

x(n?2) —第n?2次采樣值；

y(n) —第n次輸出值；

y(n?1) —第n?1次輸出值；

y(n?2) —第n?2次輸出值；

b0=0.000 000 62，b1=2b0，b2=b0；

a1=?1.997 778 56，a2=0.997 781 02。

由所設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器幅頻衰減特性（見(jiàn)圖3）可以看出，直流分量可以完全通過(guò)，50Hz的信號(hào)幅值按?40dB衰減為原來(lái)的1/100，低通特性良好。

圖3 數(shù)字低通濾波器幅頻特性Fig.3 Amplitude frequency response of digital low-pass filter

4 負(fù)荷分析

為充分利用光伏電能和并網(wǎng)逆變器容量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧波與無(wú)功電流的最佳補(bǔ)償，需按照負(fù)荷分析情況采取相應(yīng)的控制方法，負(fù)荷分析包括負(fù)載輕重的判斷和負(fù)載類(lèi)型的辨識(shí)。

4.1 負(fù)載輕重的判斷

負(fù)載輕重判斷是將負(fù)載基波有功功率Pl和光伏發(fā)電功率 PPV進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果決定是否需要檢測(cè)負(fù)載諧波電流。

負(fù)載功率Pl的計(jì)算如下：

式中 cos?—功率因數(shù)；

Usn，Iln1—電網(wǎng)相電壓有效值、負(fù)載基波電

流有效值，n=a，b，c。

光伏陣列的輸出功率是通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤控制獲得，光伏電池陣列的輸出功率PPV為

由于光伏電池輸出功率的不穩(wěn)定性和負(fù)載變化的不確定性，為防止變換器在輕載和重載模式間頻繁切換，在變換器功率波動(dòng)允許范圍內(nèi)，選取適當(dāng)?shù)拈撝郸≠0，經(jīng)延時(shí)比較判斷負(fù)載的輕重。若 Pl＜(PPV?ΔP)

Agilent1260型超高效液相色譜儀、Agilent 6460型三重四極桿質(zhì)譜儀、AR2140型電子分析天平、MP1100B型電子分析天平、KS-300EI型超聲波、Centrifug-5804R型臺(tái)式離心機(jī)、Milli-Q型純水儀等。

成立，即視為輕載，否則看作重載。

4.2 負(fù)載類(lèi)型的辨識(shí)

一般情況下，線性負(fù)載電流只含有電源基波分量，而非線性負(fù)載電流則含有基波分量和奇次諧波。對(duì)大多三相非線性負(fù)載而言，其諧波電流中5次、7次、11次等低次的諧波含量相對(duì)較高。如典型三相橋式不控整流負(fù)載其 5次諧波含量最大。由此，可以通過(guò)判斷負(fù)載電流中是否含有指定次數(shù)諧波來(lái)判定負(fù)載的線性或非線性。

由于三相負(fù)載電流 il(t)可以表示為基波有功分量、基波無(wú)功分量和各次諧波分量之和。以 A相負(fù)載電流為例進(jìn)行分析。

式中，m=1，2，3，…。

由式（1）和式（5）可知，非線性負(fù)載電流ila(t)經(jīng)瞬時(shí)無(wú)功功率處理后，可得到諧波分量

式中，m=1，2，3，…。

以5次諧波檢測(cè)為例說(shuō)明負(fù)載性質(zhì)辨識(shí)方法，即用5倍頻單位正弦分量與ilah(t)相乘，得

式中，m=2，3，…；ΔI5是Δi5(t)

中的常量，且

由式（8）可知，若il(t)中含有5次諧波，則ΔI5是一個(gè)非零常量。取一個(gè)很小的正常數(shù)ε（與電流采樣精度和數(shù)字低通濾波器有關(guān)），若ΔI5＞ε，說(shuō)明ila(t)中含有5次諧波，可判定負(fù)載為非線性。

同理，可采用7次、11次、13次等多個(gè)奇次諧波或者它們的線性組合進(jìn)行負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)，不過(guò)計(jì)算量也相應(yīng)地增加。

5 指令電流合成

當(dāng)負(fù)載為輕載時(shí)，負(fù)載所需的基波與諧波電流全由光伏變換器供給，不進(jìn)行諧波檢測(cè)，從而消除諧波檢測(cè)延時(shí)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)負(fù)載為重載時(shí)，即光伏太陽(yáng)能不能承擔(dān)負(fù)載所需全部能量，此時(shí)變換器在保證最大光伏電能并入電網(wǎng)的同時(shí)，按變換器裕量補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)載的諧波和無(wú)功電流。

由于逆變器開(kāi)關(guān)器件并網(wǎng)電流余量未必大于負(fù)載的無(wú)功及諧波電流峰值，需進(jìn)行限幅控制。其主要方法有兩種：一種是電流幅值鉗位算法（Amplitude Clamping Algorithm，ACA），即將參考電流幅值鉗位于開(kāi)關(guān)器件允許的設(shè)定值；另一種是幅值定標(biāo)算法（Amplitude Scaling Algorithm，ASA），即將參考電流按諧波電流線性比例縮小，使其電流峰值等于開(kāi)關(guān)器件允許的設(shè)定值。而限幅算法的選擇對(duì)負(fù)載諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果影響較大[5]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧波與無(wú)功電流的最佳補(bǔ)償，在電流控制指令的合成時(shí)必須考慮負(fù)載類(lèi)型。

為此，本文提出一種基于負(fù)荷分析的指令電流合成方法，其工作原理如圖4所示。

圖4 負(fù)荷分析和指令電流合成Fig.4 Load analysis and instruction current synthesis

首先，檢測(cè)光伏電池陣列的電壓、電流，實(shí)時(shí)計(jì)算其輸出功率PPV。采用結(jié)合DC/DC變換器的電導(dǎo)增量法[15]，獲得最大功率跟蹤點(diǎn)電壓。該電壓與實(shí)際直流側(cè)電壓進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，將調(diào)節(jié)器輸出作為光伏并網(wǎng)電流 iP*V的幅值。

其次，通過(guò)對(duì)負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓的檢測(cè)與鎖相，獲得并網(wǎng)電流的相位和負(fù)載有功功率Pl，根據(jù)Pl和PPV的大小判定負(fù)載輕重。若負(fù)載輕載則采用全負(fù)載電流反饋，則指令電流=il。

若負(fù)載為重載，則先利用瞬時(shí)無(wú)功理論，根據(jù)式（1）求出負(fù)載無(wú)功和諧波電流ih，然后將其幅值Ihmax與式（9）得出的器件額定電流余量IAMP比較，判斷是否需要負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)。若Ihmax≤IAMP，則不需負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)，有=ih；否則需負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)。

在重載情況下，線性負(fù)載應(yīng)采用諧波電流定標(biāo)限幅算法；非線性負(fù)載宜采用幅值鉗位算法。下面給出不同算法對(duì)應(yīng)的指令電流數(shù)學(xué)表達(dá)式式中 In—逆變器功率開(kāi)關(guān)器件額定電流值；

IP*V—光伏并網(wǎng)電流幅值；

IAMP—開(kāi)關(guān)器件電流定額余量；

Ihmax—三相諧波電流矢量ih的幅值；

iASA(t) —定標(biāo)限幅算法（ASA）時(shí)諧波電流值；iACA(t) —鉗位限幅算法（ACA）時(shí)諧波電流值。

綜合輕載和重載兩種情況，最終合成的光伏逆變器并網(wǎng)指令電流由 MPPT指令電流和負(fù)載控制電流兩部分組成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中 KL—負(fù)載輕載系數(shù)；

KH—諧波電流系數(shù)；

KACA—鉗位限幅系數(shù)，具體取值見(jiàn)表1；

KASA—定標(biāo)限幅系數(shù)，具體取值見(jiàn)表1。

表1 指令電流系數(shù)取值Tab.1 coefficients for instruction current

6 仿真研究及分析

三相系統(tǒng)參數(shù)為：電網(wǎng)線電壓 380VAC，頻率50Hz，輸出濾波電感為3mH，光伏陣列輸入工作電壓 198～300VDC，DC/DC變換器為逆變器提供直流側(cè)電壓，功率器件IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為20kHz。

（1）輕載情況仿真實(shí)驗(yàn)。即并網(wǎng)處電網(wǎng)的負(fù)荷小于光伏發(fā)電功率，此時(shí)不需要辨識(shí)負(fù)載類(lèi)型。下面以三相橋式不可控整流負(fù)載為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

方法一：采用傳統(tǒng)的諧波治理策略。首先利用瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)出負(fù)載諧波，然后補(bǔ)償，電網(wǎng)只提供負(fù)載所需基波分量。如圖5a所示，在0.06s時(shí)開(kāi)始諧波補(bǔ)償，由于數(shù)字低通濾波器的作用，需要幾個(gè)電源周期才能穩(wěn)定地進(jìn)行諧波補(bǔ)償。

方法二：利用本文提出的策略。負(fù)載為輕載時(shí)，采用負(fù)載電流全反饋閉環(huán)控制。如圖 5b所示，從0.06s開(kāi)始，光伏變換器為負(fù)載提供所有的能量，消去了諧波檢測(cè)延時(shí)，明顯提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖5 輕載時(shí)A相電網(wǎng)輸出電流Fig.5 Phase A output current in the case of light loads

（2）重載情況仿真實(shí)驗(yàn)。即并網(wǎng)處負(fù)載功率大于光伏發(fā)電功率。假定光伏并網(wǎng)指令電流 iP*V變化情況如圖6所示，在0.06～0.12s區(qū)間，光照強(qiáng)度較弱；在0.12～0.16s區(qū)間，光照變強(qiáng)，光伏并網(wǎng)電流增大，且有Ihmax＞IAMP，需要進(jìn)行負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)。

圖6 光伏發(fā)電并網(wǎng)電流的變化情況Fig.6 Variety of PV grid-connected current

設(shè)定光伏指令電流變化如圖6所示，下面以A相電流為例，對(duì)兩種類(lèi)型的負(fù)載分別采用 ASA和ACA算法實(shí)驗(yàn)。圖7為非線性負(fù)載諧波治理和并網(wǎng)發(fā)電仿真結(jié)果，圖8為線性負(fù)載諧波治理和并網(wǎng)發(fā)電仿真結(jié)果。

圖7 非線性負(fù)載諧波治理和并網(wǎng)發(fā)電仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of PV generation and active power filtering for nonlinear load

由圖7a和圖7b可以看出，在0.08～0.12s區(qū)間，光伏并網(wǎng)電流小，Ihmax＜IAMP，諧波和無(wú)功電流不需限幅，指令電流 ic*波形相同。在0.12～0.16s區(qū)間，光伏電流較大，且Ihmax＞IAMP，鉗位限幅和定標(biāo)限幅后的指令電流波形差別明顯。圖 7c為在0.08～0.12s非限幅區(qū)A相電網(wǎng)電流ia，其諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果良好。圖7d和圖7e為在0.12～0.16s限幅區(qū)，分別采用鉗位限幅和定標(biāo)限幅算法后A相電網(wǎng)電流ia，前者諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果更好些，具體數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2。

圖8 線性負(fù)載諧波治理和并網(wǎng)發(fā)電仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of PV generation and active power filtering for linear load

由圖8a和圖8c可見(jiàn)，在0.06～0.12s區(qū)間，指令電流沒(méi)有限幅，兩者的波形相同；在0.12～0.16s區(qū)間分別進(jìn)行定標(biāo)限幅和鉗位限幅，由限幅區(qū)A相電網(wǎng)電流ia波形圖8b和圖8d可以看出，兩者的補(bǔ)償效果差異明顯。

表2 諧波治理前后A相的總諧波含量和功率因數(shù)Tab.2 THD and PF of A phase pre and post active power filtering

表2給出了電網(wǎng)A相在不同負(fù)載類(lèi)型、采用不同諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償算法時(shí)，電網(wǎng)負(fù)載諧波治理前后總諧波含量THD和功率因數(shù)PF情況。由此可以看出，當(dāng)三相負(fù)載為非線性負(fù)載時(shí)，采用鉗位限幅補(bǔ)償控制策略，其諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果更好；當(dāng)負(fù)載為線性負(fù)載時(shí)，采用ASA算法其諧波抑制效果更佳，補(bǔ)償后的總諧波含量?jī)H是采用 ACA算法時(shí)的1/5。

7 結(jié)論

（1）與已報(bào)道的光伏并網(wǎng)與有源濾波統(tǒng)一控制策略相比，論文提出的統(tǒng)一控制策略是根據(jù)負(fù)載的輕重與負(fù)載類(lèi)型的不同而合成相應(yīng)的指令電流，在充分利用并網(wǎng)發(fā)電逆變器容量的基礎(chǔ)上，最大程度地改善了諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償效果。

（2）論文給出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論與三相負(fù)載諧波實(shí)際情況相結(jié)合的負(fù)載類(lèi)型辨識(shí)算法，簡(jiǎn)單實(shí)用，易于工程實(shí)現(xiàn)。

（3）該控制策略不僅適合基于高頻鏈技術(shù)的DC/DC/AC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其核心控制思想和算法還可推廣應(yīng)用于單級(jí)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以及大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)裝置。

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Control Strategy on the Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic Generation System With Shunt Active Power Filter

Du Chunshui Zhang Chenghui Liu Xinzheng Chen Alian
（Shandong University Jinan 250061 China）

The gird-connected photovoltaic (PV) inverters usually operate in low utilization for diurnal variations and weather changes. A new strategy for three-phase grid-connected PV generation systems is proposed, which has the shunt active power filter function. The strategy is based on load-level judgment and load-type identification, whose synthetic methods of instruction current is given. The new strategy not only makes full use of PV power, but also compensates harmonics and reactive currents of the loads very well, especially when the loads are in low level. The system response speed would be improved quickly without harmonics current detection. The new configuration adopts the DC/DC/AC high frequency link main circuits, which overcomes the shortcoming of the power frequency transformer’s serious supplies in the traditional PV gird-connected systems. With the modeling and simulation of the proposed control strategy by Matlab/Simulink, the experimental results show that the control strategy is validated.

Grid-connected PV generator, active power filter, harmonics detection, load-type identification, amplitude-limiting algorithm

TK514; TN713.8

杜春水 男，1973年生，博士研究生，講師，研究方向?yàn)椴⒕W(wǎng)及獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電、有源電力濾波技術(shù)。

山東省自主創(chuàng)新重大科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃（2006ZZ11）。

2009-04-20 改稿日期 2009-12-21

張承慧 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ虄?yōu)化控制、電力電子技術(shù)、電機(jī)與控制。