2020年第02期-《电子技术应用》杂志

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2020年第02期

刊出日期：2020-02-06

邮发代号： ISSN 0258-7998

CN11-2305/TN

邮发代号：2-889

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技术专栏-5G与应急通信

应急通信场景下的5G轻量核心网应用研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209001

作者：朱雪田1，王秋红1，张少伟1，侯继江2

作者单位：1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.中国电信股份有限公司，北京100033

摘要：应急通信保障存在快速部署、快速上线、简化配置流程的需求，而基于3GPP标准的组网架构太过庞大和复杂，难以满足需求。轻量化5GC旨在参考标准架构，基于通用硬件平台搭载虚拟化技术，实现软硬件解耦，控制与转发分离的云化核心网，并通过整合、裁剪网元功能来减少业务流程，提升业务处理能力，成为应急通信行业新的解决方案。从基于构建应急通信专网应用场景入手，分析轻量5G核心网的实现架构和关键技术，并结合应急保障典型案例进行部署方案的探索。

关键词：
5G

应急通信

轻量化

核心网

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基于5G的固定翼无人机应急通信覆盖能力研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209002

作者：袁雪琪1，云翔2，李娜2

作者单位：1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京佰才邦技术有限公司，北京100044

摘要：国家高度重视应急通信网络的规划与建设，特别是无人机的应急通信技术研究越来越受到重视，相对于4G“尽力而为”的网络特性，5G凭借大带宽、低时延和高可靠性的网络能力，为网络性能配置提供了灵活的配置空间，将会逐步成为满足应急通信不同场景需求的首选技术。提出了基于固定翼式无人机的5G应急通信覆盖解决方案，该方案通过无人机机载5G一体化基站，结合地面宏基站辅助实现组网。对无人机基站下行覆盖与回传链路预算进行仿真，结果表明，所提出的解决方案可以满足偏远地区和应急通信的覆盖需求。

关键词：
固定翼无人机

应急通信

5G

无人机

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面向应急通信的一体化5G边缘融合技术研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209003

作者：侯佳，芒戈，朱雪田

作者单位：中国电信股份有限公司研究院，北京102209

摘要：为适应5G现场应急通信场景中快速部署与便捷配置的需求，终端、基站、用户面功能(User Plane Function，UPF)、边缘计算平台(Mobile Edge Computing，MEC)、核心控制等网元设备必须具备简单、高效和灵活的特性。从快速构建应急通信专网应用场景入手，提出一种一体化边缘融合技术和设备实现方案，该方案在为5G现场应急通信提供高度集成的无线接入、数据转发和边缘应用服务三大能力的同时，也简化了设备运维复杂性和外部组网要求，并提高了整机系统的服务性能。

关键词：
边缘计算

5G

应急通信系统

用户面功能

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5G网络切片在公网应急保障中的应用研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209004

作者：王秋红，朱雪田

作者单位：中国电信股份有限公司研究院，北京102209

摘要：应急保障通信系统作为日常通信系统的重要补充，在灾害发生时起着至关重要的作用。提出了一种基于5G网络切片的公网应急资源优先保障技术方案，在明确应急保障通信系统的各种场景对网络的性能需求的基础上，基于典型的应急保障通信系统架构，论述了应急保障系统的5G网络切片实现流程。该方案可实现应急业务的5G网络资源优先保障，保证信息的实时交互与共享，提升信息决策的科学性和及时性。

关键词：
5G

应急保障通信系统

网络切片

优先保障

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综述与评论

IGBT模块失效机理和主动热控制综述

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191267

作者：周小康1，马奎1，2，梁蓓1，2

作者单位：1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025； 2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心，贵州贵阳550025

摘要：随着新能源发电、混合动力汽车以及工业设备等领域中电力分配及控制的有效性需求的增加，IGBT的运行可靠性问题亟需解决。梳理了IGBT模块的主要失效机理，并以此为理论基础，对国内外在IGBT模块主动热控制方面的研究进行归纳分析。最后结合实际对主动热控制的发展前景寄予展望。

关键词：
IGBT模块

失效机理

主动热控制

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人工智能

基于FPGA加速的卷积神经网络识别系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191000

作者：林志文，林志贤，郭太良，林珊玲

作者单位：福州大学物理与信息工程学院，福建福州350116

摘要：针对卷积神经网络(CNN)在通用CPU以及GPU平台上推断速度慢、功耗大的问题，采用FPGA平台设计了并行化的卷积神经网络推断系统。通过运算资源重用、并行处理数据和流水线设计，并利用全连接层的稀疏性设计稀疏矩阵乘法器，大大提高运算速度，减少资源的使用。系统测试使用ORL人脸数据库，实验结果表明，在100 MHz工作频率下，模型推断性能分别是CPU的10.24倍，是GPU的3.08倍，是基准版本的1.56倍，而功率还不到2 W。最终在模型压缩了4倍的情况下，系统识别准确率为95%。

关键词：
卷积神经网络CNN

FPGA

人脸识别

稀疏性

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基于深浅特征融合的人脸识别

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190950

作者：赵淑欢

作者单位：河北大学电子信息工程学院，河北保定071002

摘要：针对传统的浅层特征所提取特征的判别性有限、深度特征需要大量带标记样本且训练过程耗时长的问题，提出一种深度及浅层特征融合算法用于人脸识别。首先提取人脸的HOG特征并进行判别性降维；同时，提取人脸图像的PCANet特征并降维；其次，将降维后的深浅特征进行融合，并进一步提取判别性特征；最后，采用SVM分类器进行分类并在AR和Yale B数据库上对算法进行验证。实验结果证明，该算法能够比单独选用深度特征和浅层特征进行分类达到更高的识别率，且对特征维数具有更强的鲁棒性。

关键词：
人脸分类

特征融合

浅层特征

深度特征

HOG

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微电子技术

一种高频电子封印标签的实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182747

作者：符令1，2，何洋1，2，谭浪1，2

作者单位：1.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室电力芯片设计分析实验室，北京100192； 2.北京智芯微电子科技有限公司，北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京100192

摘要：设计实现了一种基于13.56 MHz射频识别技术的电子封印。该电子封印使用国家商用密码安全算法SM7，增加了其安全性和可靠性。射频识别技术也使得该电子封印更易于被自动识别和管理。介绍了一种射频电子封印的方案，对天线结构、芯片功能模块、芯片工作流程和三重认证机制等作了重点说明。最后给出在HJEE110nm标准CMOS工艺下实现的一款电子封印，芯片核心部分面积仅0.5 mm2，功耗小于100 μA。芯片在卡片封装测试结果符合ISO14443协议标准及ISO10373-6测试协议要求，在三种不同封印封装下均能被加密读卡器稳定读写。

关键词：
电子封印

三重认证

SM7

HF-RFID

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基于FPGA的结构改进型(2，1，4)维特比译码器

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191229

作者：吴雪玲，江虹

作者单位：西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621000

摘要：在资源受限的处理器中实现高性能的Viterbi译码算法是近年来研究的热点。基于XC6SLX16-2CSG324型FPGA处理器，在资源有限情况下，为兼顾Viterbi译码时延与资源消耗的问题，提出了一种结构改进算法。在传统Viterbi译码算法基础上，首先通过最大限度地预定义存储路径度量值的寄存器，达到控制路径度量值的目的，其次采用步进式幸存路径信息存储结构，完成幸存路径信息的存储，简化译码器硬件实现复杂度，减小译码时延和资源消耗。通过ISE Design Suite 14.7平台，对回溯深度为20、3 bit软判决的(2，1，4)维比特译码器进行了基于FPGA的验证，并结合MATLAB仿真进行分析。结果表明，本方法能够有效减小译码时延并降低资源消耗。

关键词：
FPGA

Viterbi译码器

度量控制

步进式存储结构

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本振相位噪声对宽带接收机噪声系数的影响

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190658

作者：李夏琴

作者单位：中国西南电子技术研究所，四川成都610036

摘要：基于宽带接收机中不同相位噪声的宽带本振对接收噪声系数的影响分析，通过不同相位噪声的宽带本振对混频器变频噪声系数的测试与对比，得出混频器中频信号相位噪声主要由本振相位噪声决定，变频噪声系数的恶化主要由宽带本振500 kHz外的远端噪声恶化所引起的结论。结合宽带接收机前段增益与变频噪声对接收链路噪声系数的仿真计算，灵敏度越高的宽带接收机对本振远端相位噪声恶化越敏感。对于高灵敏度的宽带接收机，为了避免宽带本振相位噪声引起链路噪声系数恶化，宽带接收前端在混频之前的增益需要大于25 dB。

关键词：
宽带接收机

相位噪声

宽带本振

噪声系数

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基于动态负载线GaN HEMT模型的谐波调谐功放设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191243

作者：黄发良，游彬

作者单位：杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018

摘要：基于动态负载线GaN HEMT大信号模型和负载牵引技术设计并制作了一款工作在2 GHz的高效率谐波调谐功放。在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下，通过负载牵引技术初步确定满足性能要求的最佳基波和谐波阻抗值，并根据动态负载线大信号模型所观察到的漏极电流、电压波形对功放整体电路进行调谐和优化。测试结果表明,当输入功率为27 dBm时，该功放漏极效率可达81.53%，功率附加效率为76%，输出功率为38.69 dBm，增益为11.69 dB。采用该方法所设计的高效率谐波调谐功放在满足较高性能的同时,具有结构简单、调谐方便的优点。

关键词：
动态负载线大信号模型

负载牵引

谐波调谐

功率放大器

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测控技术与仪器仪表

基于FPGA的通道数可调高精度采集系统模块化设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190816

作者：田皓文，郭世旭，朱锰琪，赵鹏

作者单位：中国计量大学计测工程学院，浙江杭州310018

摘要：在声学相机的开发过程中，针对声场信号的高精度采集以及多传感器信息的实时传输需求，设计了一种集成了PGA、Σ-Δ型ADC、FPGA以及千兆以太网通信的数据采集系统并模块化，并给出了通道扩展条件。经性能测试表明，该模块在55 kHz带宽下采样误差为0.000 2%，自噪声为9 μV，并且拥有110 dB的动态范围，其性能优于常用的振动声学多通道采集设备，且具有扩展性好、成本低的特点。

关键词：
声学相机

FPGA

千兆以太网

数据采集系统

通道数可调

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基于六元空间阵列的声源定位系统实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190864

作者：余秋婷，熊俊俏

作者单位：武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉430205

摘要：声源定位技术是语音识别技术的基础，针对复杂噪声和混响的室内环境造成声源定位精度不理想的问题，提出了一种基于麦克风阵列的声源定位系统。首先阐述了声源定位原理，然后提出了改进的广义互相关算法。该算法利用两信号之间的相关性，估计出麦克风之间的时延，进而得到声程差，并根据几何关系确定声源在空间中的位置，最后在嵌入式平台上进行实验。实验结果证明，该方法能较准确地得到声源位置，且距离和方位角的误差分别不超过+5°和±15 cm。

关键词：
声源定位

麦克风阵列

时延估计

嵌入式系统

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通信与网络

智能仪表PCB集成化RFID标签天线设计优化

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191034

作者：贺则昊1，洪涛1，陈家焱1，蒋天齐2

作者单位：1.中国计量大学质量与安全工程学院，浙江杭州310018；2.杭州质慧信息技术有限公司，浙江杭州310018

摘要：针对智能仪表信息追溯过程中，悬挂、贴附式射频识别(RFID)标签天线所带来的易脱落、性能下降等问题，提出一种智能仪表PCB集成化RFID标签天线。不同于传统RFID标签天线的附着方式，将标签天线直接蚀刻在智能仪表的PCB板上。为改善RFID标签天线性能，以智能电表作为研究对象，分析频点偏移与阻抗匹配劣化原因，根据理论指导确定标签天线优化方案并实验验证方案可行性；同时借鉴已有设计经验，进一步增强标签天线性能。设计优化结果表明，处于智能电表内的标签天线在860 MHz~960 MHz的工作频段内S11<-15 dB，阻抗匹配性能好；在920 MHz的频点上端口阻抗为16.87+j207.78 Ω，增益达到2.71 dB，满足追溯过程中增益及方向性要求。

关键词：
RFID

智能仪表

集成化

标签天线

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择优选择小世界网络同步模型的研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191085

作者：吕瑛，李颖华

作者单位：西北工业大学明德学院信息工程学院，陕西西安710124

摘要：构造了一种择优选择小世界网络模型，在该模型的基础上研究了复杂网络中各种因子(如特征路径长度、度分布、簇系数和介数等)对同步性能的影响。发现在特征路径长度和簇系数都相同的情况下，网络的同步能力仍然可以存在较大的差异。仿真结果表明，特征路径长度和簇系数都不能单独表征网络的同步能力，节点度分布的不均匀性本质上抑制了网络的同步能力，网络中节点的最大介数是表征网络同步能力的一种合理的物理量。

关键词：
择优选择

小世界网络

同步

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计算机技术与应用

基于深度学习的复杂分拣图像快速识别方法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190828

作者：陈志新，董瑞雪，刘鑫，王毅斌，梁世晓

作者单位：北京物资学院，北京101149

摘要：训练速度更快、识别精准度更高的图像识别技术一直是智能技术的研究热点及前沿。针对物流分拣仓库环境复杂、照明度不高以及快递外包装区别不明显的特点，对基于深度学习的分拣图像快速识别进行了研究，设计了一个卷积神经网络。由于仓库的封闭环境和光照条件等因素而导致分拣图像不是很清晰，首先用对偶树复小波变换对其进行降噪等预处理；然后在基于AlexNet神经网络的基础上，对于卷积神经网络的卷积层、ReLU层和池化层参数进行重新定义来加快神经网络的学习速度；最后根据新的图像分类任务对神经网络的最后三层全连接层、Softmax层和分类输出层进行定义来适应新的图像识别。所提出的基于深度学习的快速分拣图像识别方法在面对较为复杂的分拣图像识别时，有较高的训练速度和识别精准度，能达到实验要求。分拣图像快速识别对于提高无人仓等场合下的物流效率具有重要意义。

关键词：
深度学习

卷积神经网络

图像识别

分拣

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RS编码算法的优化与FPGA实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190901

作者：李锦明，刘梦欣，成乃朋

作者单位：中北大学仪器与电子学院，山西太原030051

摘要：针对常用RS编码算法中伽罗华域(Galois Field，GF)的乘法运算在FPGA中实现时存在的数据运算量大、复杂度高等问题，对RS编码模块进行优化，通过增加乘法器因子求取模块，完成RS编码乘法器因子的求取，降低伽罗华域乘法运算在FPGA实现过程中的复杂度，减少运算量。测试结果表明，优化后的RS编码FPGA实现简单有效，且编码准确无误，编码结果与MATLAB计算所得理论结果一致，可适用于任意码长的RS编码，在移动通信、航天通信等复杂多因素通信领域有着广泛的应用价值。

关键词：
RS编码

伽罗华域

算法优化

FPGA

查看(18394)

一种基于最小二乘法的AD转换在线校正方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190940

作者：贾红敏，张立广，淡建超

作者单位：西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安710021

摘要：针对AD转换过程中实际物理量与转换后数字量之间存在的非线性问题，提出了一种软件在线校正方法，该方法是基于最小二乘法的最优化分段线性拟合方法。使用VS2010 C#编写上位机软件，用户可任意设定误差标准，通过程序计算实现对整个非线性区间的最优化分段线性拟合，得到不同的拟合函数，达到高精度拟合的要求。此校正软件可作为辅助开发工具，用于模拟量采集系统中，帮助实现物理量回归。测试结果表明，该方法能够显著提高AD转换精度，且易于操作，具有较高的准确性。

关键词：
AD转换

最优化分段

最小二乘法

在线校正

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水声监听信号特征频段提取方法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190857

作者：赵杰1，2，3，杨俊贤1，2，3，惠力1，2，3，王志1，2，3，初士博1，2，3

作者单位：1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266061； 2.山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东青岛266061；3.国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛266061

摘要：水声监听获取信号的频带范围较宽，在记录过程中包含多频段特征信息，同时会掺杂各类噪声信息。为可靠提取监听信号各频段有效特征信息，避免噪声影响，解决能量法判断特征频段存在的弊端，打破单一方法在提取宽频带信号有效特征频段过程中存在的局限性，集中小波包、相关系数和希尔伯特-黄各自优势方法实现宽带监听信号多频段有效特征信息提取。首先通过小波包算法对宽频带信号实现精细化分频，利用相关系数分析判断节点信号的有效性，排除噪声节点，其次通过希尔伯特-黄对有效节点频段内的有效成分和噪声进一步分离，最后将处理后节点系数重构获得有效频段特征信息。仿真分析验证和实测信号处理结果表明，该方法对宽频带水声监听信号特征频率信息的提取具有一定优势，可在水声目标识别与监测等方面推广和应用。

关键词：
水声监听

小波包分析

希尔伯特-黄

相关系数

查看(8746)

基于线性时态逻辑的物联网操作系统安全性设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190911

作者：张华强，李凯航，王继刚

作者单位：中兴通讯成都研发中心，四川成都610041

摘要：根据物联网操作系统安全性设计的需求，同时结合在经典线性时态逻辑、逻辑程序设计、形式化模型检测理论方面的研究与工程实践探索，提出了一种应用于物联网操作系统安全性设计的方法论，并进行了工程原型验证。实践证明该方法的效果符合预期，不仅适合物联网操作系统的安全性设计，也可以进一步推广到其他安全性要求较高的软件产品设计领域。

关键词：
物联网操作系统

经典现行时态逻辑

形式化模型检测理论

安全性设计

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嵌入式技术

ADS-B阵列信号二重解交织算法的实时实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191120

作者：胡铁乔，韩斌

作者单位：中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津300300

摘要：为解决ADS-B系统通信时的信号交织问题，结合FPGA的工作特点和实时系统的要求，对ADS-B交织检测算法和解交织算法进行优化。针对交织检测算法在实采数据验证时需要变化处理信号的参数才能匹配判决域的问题，设计一种计算判断交织检测的动态门限值的方法，同时将解交织算法中特征向量、广义逆矩阵等复杂的过程优化为对某段信号的协方差矩阵求逆。实现结果表明，优化后的算法适用于硬件实时系统，能有效分离ADS-B交织信号。

关键词：
ADS-B

信号交织

解交织

FPGA

查看(15846)

水泥地面打磨机器人运动控制系统设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191263

作者：胡春生1，修瑞2，王德1

作者单位：1.宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750001；2.中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海200233

摘要：建筑行业中水泥地面多采用人工配合机械进行打磨平整，工作环境恶劣且工作效率低，而自动打磨机器人可以代替人工作业、提高工作效率。针对水泥地面打磨机器人，研究其复杂运动中基本运动的控制，提出了水泥地面打磨机器人运动控制方案。首先建立机器人的运动学模型，并设计实现了基本运动的速度控制算法，然后以STM32单片机为控制的核心，完成了对水泥地面打磨机器人运动控制系统的设计，实现了机器人复杂轨迹中基本运动的控制。实验结果表明，机器人在直线运动和转弯运动时，最大定位误差为3.1 cm。验证了该系统对于机器人基本运动控制的可靠性和稳定性,为类似的机器人的控制提供参考。

关键词：
打磨机器人

运动控制

控制系统设计

查看(10136)

电源管理

小功率磁耦合谐振式无线供电系统的研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191239

作者：王帅，薛寒寒

作者单位：中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州450015

摘要：针对传统接触式供电模式的不足，设计了一种小功率磁耦合谐振式无线供电系统，以此研究该系统的传输特性。主要利用电路耦合理论，建立系统的等效电路模型，并借助MATLAB仿真分析系统参数对传输特性的影响，包括谐振频率、负载阻值和耦合系数，最终搭建了小功率无线供电系统试验平台，对系统的传输特性进行了试验验证。传输特性试验结果与MATLAB仿真分析结果具有较高的吻合度，表明设计的小功率磁耦合谐振式无线供电系统能够进行良好的无线能量传输，同时也为小功率无线充电设备的发展提供新思路。

关键词：
无线供电系统

磁耦合谐振式

仿真分析

传输特性

查看(14404)

基于自抗扰技术的MMC-STATCOM控制器设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191196

作者：陈晖1，孙玉坤1，杨婷2，黄永红1

作者单位：1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013；2.南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167

摘要：研究了基于自抗扰技术(ADRC)的MMC-STATCOM控制器设计，以自抗扰控制技术为基础，针对有功和无功电流解耦跟踪环节分别进行自抗扰控制器设计，通过安排过渡过程，设置扩张观测器以及非线性状态误差反馈环节等，最后在MATLAB/Simulink中构建了仿真模型，对提出的控制策略的有效性进行验证分析。结果表明，基于自抗扰技术的MMC-STATCOM控制器有效克服了PI控制的响应速度与超调之间的矛盾，实现扰动的有效动态补偿，解决了传统的基于PI调节的内环电流跟踪器在MMC-STATCOM输入量存在扰动时，其电流跟踪效果较差，会导致系统出现较长的过渡过程甚至失稳的问题。