厲 孟, 謝 楨, 李長(zhǎng)樂(lè)

[1. 海軍駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng) 軍事代表室,北京 100094； 2. 海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430033；3. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063]

大容量直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組級(jí)聯(lián)直流組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

厲 孟1, 謝 楨2, 李長(zhǎng)樂(lè)3

[1. 海軍駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng) 軍事代表室,北京 100094； 2. 海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430033；3. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063]

傳統(tǒng)交流組網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)存在多次電能轉(zhuǎn)換、成本高的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種大容量直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組級(jí)聯(lián)直流組網(wǎng)海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，其直接將每臺(tái)機(jī)組的直流輸出級(jí)聯(lián)形成高壓直流進(jìn)行傳輸，而無(wú)需額外的海上升壓站平臺(tái)。風(fēng)電機(jī)組采用了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流器，其中變流器包括了AC/DC單元和DC/DC單元，并設(shè)計(jì)了控制策略，即通過(guò)DC/DC單元的占空比調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的持續(xù)輸出和最大功率跟蹤。陸基逆變電站采用晶閘管型逆變器，設(shè)計(jì)了工作模式和控制策略，其主要功能是實(shí)現(xiàn)高壓直流鏈路的電壓電流調(diào)節(jié)。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)，搭建了容量為150 MW的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較高的魯棒性和對(duì)風(fēng)速變化的適應(yīng)性，同時(shí)每個(gè)機(jī)組都能獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

風(fēng)力發(fā)電； 海上風(fēng)電場(chǎng)； 高壓直流鏈路； 直流組網(wǎng)

0 引 言

與其他可再生能源相比，風(fēng)能增長(zhǎng)迅速，在能源利用中占比越來(lái)越大[1-3]。目前海上風(fēng)電場(chǎng)的研究已經(jīng)取代陸基風(fēng)電，成為了研究熱點(diǎn)[4]。但是，一個(gè)制約海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展的問(wèn)題就是如何集中每個(gè)機(jī)組的電能并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

文獻(xiàn)[5]中提到了一個(gè)典型的歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，其使用了36 kV的海底交流電纜在機(jī)位收集電能到海上第一級(jí)變壓器電站平臺(tái)，升壓至154 kV電壓等級(jí)，然后再用較短的高壓電纜輸送至第二級(jí)整流器電站平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從高壓交流到高壓直流的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行長(zhǎng)距離海底傳輸?shù)疥懟娬?，通過(guò)逆變器饋送電能到電網(wǎng)。這種風(fēng)電場(chǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)需要電能的多次轉(zhuǎn)換，以及多級(jí)海上變電平臺(tái)，成本較高，因此更多的海上風(fēng)電場(chǎng)組網(wǎng)形式被提出來(lái)[6-11]。文獻(xiàn)[6]提出的組網(wǎng)方案中，每個(gè)機(jī)組都包含了一個(gè)單獨(dú)的變壓器進(jìn)行升壓，這樣將失去成本優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[7]提出的組網(wǎng)方式中，每個(gè)機(jī)組內(nèi)部都有一個(gè)獨(dú)立的升壓直流變換電路，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組高壓直流并聯(lián)的輸出，但一個(gè)較大的局限性是流經(jīng)高壓直流匯流排到中央變換器的電流較大，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。文獻(xiàn)[8]分析了每個(gè)機(jī)組通過(guò)將輸出直流級(jí)聯(lián)進(jìn)行組網(wǎng)的海上風(fēng)電場(chǎng)方案，但使用的是主從模式設(shè)計(jì)，從機(jī)使用的是電流源型變流器，冗余性較差。文獻(xiàn)[9]提到的方案中，機(jī)組使用了高頻變壓器和高頻鏈電路，但變壓器的使用增加了體積、重量及成本。因此，文獻(xiàn)[10]指出了分布式直流級(jí)聯(lián)組網(wǎng)較傳統(tǒng)交流組網(wǎng)具有更多的優(yōu)勢(shì)，因而本文在其基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組級(jí)聯(lián)直流組網(wǎng)的海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)，并基于PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

1 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其參數(shù)

本文所研究的海上風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)方案[11]。風(fēng)機(jī)的交流輸出到變流器AC/DC單元和DC/DC單元，然后級(jí)聯(lián)形成高壓直流(High-Voltage DC,HVDC)鏈路。

圖1 HVDC輸電的海上風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)

電能通過(guò)HVDC鏈路傳輸以后達(dá)到陸基電站，電站主要由晶閘管型逆變器和升壓變壓器構(gòu)成。由于使用了基于晶閘管設(shè)計(jì)的逆變器，HVDC鏈路可以工作在較弱的風(fēng)能條件下，即直流母線電壓較低的情況下實(shí)現(xiàn)能量傳輸，此外還不需要較大容量的電容器直接接入到高壓端，這是較電壓源型逆變器傳輸?shù)囊粋€(gè)優(yōu)勢(shì)所在[12]。從圖1還可以看出，采用陸地變電站可以避免傳統(tǒng)組網(wǎng)用到的高成本集中整流電站及其海上平臺(tái)。

2 風(fēng)機(jī)參數(shù)和變流器控制策略

風(fēng)力發(fā)電從陸基轉(zhuǎn)移到海上以后，單機(jī)容量持續(xù)上升，而具有代表性的就是5 MW級(jí)的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組方案[13]。因?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)安裝成本顯著，70%的安裝成本用于海上平臺(tái)和傳輸電纜的安裝，所以功率密度更高、容量更大的5 MW機(jī)型優(yōu)勢(shì)較大，其參數(shù)如表1所示[14]。

2. 1 風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)

如圖2(a)所示，風(fēng)電變流器主要包括AC/DC單元和DC/DC單元，兩者之間有一個(gè)大容量直流電容。如圖2(b)所示，DC/DC單元包括兩種不同的電流流向狀態(tài)，分別為ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)。在ON狀態(tài)下，電容電壓引入到HVDC鏈路，發(fā)電機(jī)組的潮流也進(jìn)入到電網(wǎng)中，而在OFF狀態(tài)下，電容被旁路，但需要保證電流的連續(xù)性。

表1 風(fēng)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)

圖2 風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，DC/DC單元拓?fù)錇閱蜗笙轇uck斬波器，其由一個(gè)IGBT和相應(yīng)二極管構(gòu)成，控制IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)的切換。單象限Buck斬波器的優(yōu)勢(shì)還在于其能確保一個(gè)連續(xù)的HVDC電流通路，同時(shí)還能夠在鏈路發(fā)生故障時(shí)將大容量?jī)?chǔ)能電容隔離，避免故障范圍擴(kuò)大。同時(shí)變流器DC/DC單元還可以升級(jí)為兩象限斬波器，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，以應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)需要能量進(jìn)行初始起動(dòng)的工況。

圖2(a)中Ut和It為發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流，Idc和Ib為直流電容輸入和輸出電流，Udc為直流電容電壓，Ux和Ix為斬波器輸出電壓和電流，Uo為變流器輸出電壓，Ilink為HVDC鏈路電流，D為斬波器控制占空比。Buck電路的數(shù)學(xué)方程為[15]

(1)

進(jìn)一步有:

(2)

在整流器連續(xù)導(dǎo)通模式下，考慮電感換向過(guò)程和忽略了定子電阻后可得到狀態(tài)空間平均模型方程為[15]

(3)

其中ωe為電磁角速度，而功率因數(shù)PF近似為[15]

(4)

圖3 最大風(fēng)能捕獲算法曲線

2. 2 最大風(fēng)能捕獲算法

風(fēng)電變流器系統(tǒng)控制目標(biāo)是通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲，這可以通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩使其工作在如圖3(a)所示的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線上?？紤]到變流器前端二極管不控整流器的電流不可直接控制，故采用DC/DC單元來(lái)間接控制實(shí)現(xiàn)整流器電流輸出的調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te的表達(dá)式為

(5)

其中ωm為機(jī)械角速度，而對(duì)于PMSG，輸出電壓與ωm的關(guān)系為

(6)

其中kPM為定子磁鏈常數(shù)，由于極對(duì)數(shù)p已知，故ωm和ωe關(guān)系為

(7)

綜合以上公式，結(jié)合式(3)和式(4)，可推導(dǎo)出Te與Idc的關(guān)系為

(8)

對(duì)于任意的輪轂轉(zhuǎn)速，可通過(guò)式(8)求解，對(duì)應(yīng)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩Topt的最優(yōu)直流電流Iopt為

(9)

根據(jù)式(9)，圖3(a)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線可以映射到圖3(b)的輪轂轉(zhuǎn)速與最優(yōu)直流電流Iopt的對(duì)應(yīng)曲線。

2. 3 變流器系統(tǒng)控制策略

為了使系統(tǒng)工作在最優(yōu)工作點(diǎn)，即達(dá)到最優(yōu)直流電流Iopt，需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器來(lái)調(diào)節(jié)DC/DC單元的占空比。結(jié)合式(2)和式(3)，可推導(dǎo)出變流器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程為

(10)

引入拉普拉斯變換，可得到:

(11)

根據(jù)式(10)和式(11)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的變流器控制器框圖。圖4中EPM動(dòng)態(tài)是作為一個(gè)擾動(dòng)引入到系統(tǒng)中，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，擾動(dòng)產(chǎn)生0輸出，而在風(fēng)機(jī)加速或者減速時(shí)，一個(gè)線性的斜坡函數(shù)擾動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)恒定的輸出，因而可用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器控制，PI參數(shù)可根據(jù)經(jīng)典的控制理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 風(fēng)電變流器控制框圖

3 陸基逆變器電站設(shè)計(jì)

陸基逆變器電站的控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)HVDC鏈路的電流。假設(shè)交流電網(wǎng)為無(wú)窮大電網(wǎng)，暫不考慮電網(wǎng)突變，因此忽略交流側(cè)濾波器動(dòng)態(tài)，而直流母線電壓完全由風(fēng)場(chǎng)輸出電能決定。文中風(fēng)電場(chǎng)包括30臺(tái)5 MW機(jī)組，額定Ilink設(shè)計(jì)為1.2 kA，單個(gè)機(jī)組的額定電壓注入將達(dá)到4.16 kV，級(jí)聯(lián)后高壓直流將達(dá)到125 kV，具體的風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型如圖1所示，其中假設(shè)電纜傳輸距離為25 km，線路分布參數(shù)分別為Rline、Lline、Cline和Lreactor。

通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角α，可控制逆變器輸出電流恒定，即電流控制模式，限制觸發(fā)角α在90°～145°可保證必要的反電勢(shì)。當(dāng)控制器飽和，α維持90°，則稱為αmin控制模式。此外控制器還進(jìn)行關(guān)斷角γ監(jiān)測(cè)，當(dāng)γ達(dá)到邊界時(shí)，逆變器進(jìn)入到γmin控制模式，以避免換向故障。如圖5(a)所示為逆變器的VI特性曲線圖，圖中的垂直線為恒定額定電流1.2 kA，還繪出了αmin控制模式曲線和γmin控制模式曲線。為了推導(dǎo)整流器的VI特性曲線，做出以下假設(shè):(1)假設(shè)風(fēng)場(chǎng)中每個(gè)機(jī)位的風(fēng)速一致；(2)每個(gè)機(jī)位都工作在最優(yōu)功率點(diǎn)；(3)忽略風(fēng)電變流器的損耗?；诩僭O(shè)，風(fēng)場(chǎng)的輸出總功率是風(fēng)速的函數(shù)，具體如圖5(b)所示，結(jié)合不同風(fēng)速和對(duì)應(yīng)的最優(yōu)輸出功率可繪制整流器的VI曲線，具體的不同風(fēng)速的VI曲線的計(jì)算式如下:

圖5 VI特性曲線和逆變器電流監(jiān)控

(12)

其中Uwf為HVDC的直流電壓，選取風(fēng)速點(diǎn)后可得如圖5(c)所示曲線簇，圖中可以看出當(dāng)占空比D增加時(shí)，Ilink就相應(yīng)要減小。三角形標(biāo)記的點(diǎn)代表了占空比D為1的運(yùn)行點(diǎn)，此時(shí)Ilink=Iopt。這些點(diǎn)代表了運(yùn)行邊界，超過(guò)邊界，則無(wú)法獲取最佳功率，即風(fēng)機(jī)應(yīng)始終運(yùn)行在Ilink>Iopt，而這需要對(duì)逆變器選擇合適的控制策略來(lái)保證。不同風(fēng)速下的輸出電壓可以通過(guò)式(13)進(jìn)行計(jì)算:

(13)

將基于晶閘管的逆變器工作特性曲線也繪制在圖5(c)中，如虛線所示，可以看出，系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)A就是在風(fēng)速為12 m/s的VI特性曲線與虛線相交處。

考慮到電流始終控制在額定1.2 kA處，那么當(dāng)風(fēng)速過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)電壓也很低。故設(shè)計(jì)一個(gè)電流監(jiān)控器如圖6(a)所示，其主要由包含限幅的積分器來(lái)實(shí)現(xiàn)，上限設(shè)置為1.2 kA，下限設(shè)置為300 A，積分器的輸入為HVDC鏈路參考電壓和實(shí)際電壓的差值。如圖6(b)所示，系統(tǒng)位于額定工作點(diǎn)A時(shí)，風(fēng)速?gòu)?2 m/s降至10.5 m/s，故工作點(diǎn)從A轉(zhuǎn)移到B，其過(guò)程的時(shí)間尺度是由風(fēng)機(jī)機(jī)械慣性決定的，要快于電流監(jiān)控響應(yīng)，而之后從B點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn)的過(guò)程，則是由電流監(jiān)控系統(tǒng)作用下較慢的過(guò)程，同時(shí)直流電壓升高至100 kV。電流監(jiān)控器的主要作用就是緩慢調(diào)節(jié)參考電流的設(shè)置點(diǎn)來(lái)維持HVDC鏈路的電壓。上述過(guò)程表明減少參考電流可提高直流電壓，但過(guò)程需要慢，時(shí)間尺度要調(diào)節(jié)在幾分鐘，這也避免了與整流器端控制的沖突，后者在毫秒級(jí)時(shí)間尺度進(jìn)行控制。

圖6 電流監(jiān)控控制器設(shè)計(jì)

4 風(fēng)電場(chǎng)組網(wǎng)仿真研究

為了驗(yàn)證前述分析以及系統(tǒng)組網(wǎng)的可行性，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)[16-17]，搭建了仿真模型對(duì)風(fēng)電場(chǎng)組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。風(fēng)電場(chǎng)模型包括了30臺(tái)5 MW風(fēng)機(jī)，為了簡(jiǎn)化分為6組，每組5臺(tái)，而線路阻抗參數(shù)為Rline=2.4 Ω，Lline=17 mH，Cline=11.5 μF，Lreactor=249 mH。

圖7 大風(fēng)工況仿真結(jié)果

首先進(jìn)行大風(fēng)工況仿真，所有風(fēng)機(jī)處于額定風(fēng)速，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真初始，每組風(fēng)機(jī)都注入了相同的電壓，占空比控制也保持一致，在5～25 s時(shí)間內(nèi)，將不同組的風(fēng)速設(shè)置不同的變化，然后這時(shí)不同機(jī)組的占空比改變以保持最大功率跟蹤和維持直流電流在1.2 kA。從圖7可以看出:調(diào)節(jié)過(guò)程迅速，且伴隨著直流電壓下降，接著在電流監(jiān)控器的作用下，電流開(kāi)始下降，從而直流電壓緩慢抬升，而風(fēng)電變流器的占空比控制始終維持最大功率追蹤。從圖7(b)中可以看到每組機(jī)組的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)是符合最佳負(fù)荷曲線，也驗(yàn)證了每個(gè)機(jī)組都工作在最優(yōu)功率點(diǎn)。

第二種仿真模擬了低風(fēng)速工況，結(jié)果如圖8所示。此次仿真中所有機(jī)組的風(fēng)速變換相同，風(fēng)機(jī)風(fēng)速?gòu)? m/s突然增加到9 m/s，此時(shí)風(fēng)電變流器的占空比快速響應(yīng)，以跟蹤風(fēng)機(jī)功率的變化，直流電壓從35 kV迅速升高到130 kV。但是，電流開(kāi)始調(diào)節(jié)，從最開(kāi)始的300 A增加到600 A，同時(shí)后電壓下降到100 kV，從圖8中注意到電壓達(dá)到131 kV時(shí)即被限制住了，因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)到了最大的觸發(fā)角α=145°，維持幾秒后，隨著電流的增加，逆變器又回到了正常的電流控制模式。

圖8 小風(fēng)工況仿真結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要圍繞大容量直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組級(jí)聯(lián)直流組網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)展設(shè)計(jì)，同時(shí)基于仿真平臺(tái)對(duì) 150 MW 級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)算例進(jìn)行了仿真計(jì)算?，F(xiàn)總結(jié)主要結(jié)論如下:

(1) 通過(guò)將變流器設(shè)計(jì)為AC/DC和DC/DC兩級(jí)單元，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出的直接級(jí)聯(lián)，同時(shí)引入占空比控制結(jié)合最大風(fēng)能捕獲算法可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)的最優(yōu)功率點(diǎn)運(yùn)行。

(2) 對(duì)于陸基逆變器的設(shè)計(jì)，采用了經(jīng)典的晶閘管逆變電路，通過(guò)對(duì)電流控制、αmin控制和γmin控制這三種工作模式設(shè)計(jì)，結(jié)合電流監(jiān)控器的設(shè)計(jì)，達(dá)到了控制HVDC鏈路電壓電流調(diào)節(jié)的功能。

(3) 仿真結(jié)果驗(yàn)證了該組網(wǎng)系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行能力，為風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際建設(shè)提供了依據(jù)。

進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)的選擇性保護(hù)和重構(gòu)。

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Design of Large Capacity Direct Drive Wind Power Unit Cascaded DC Grid System

LIMeng1,XIEZhen2,LIChangle3

(1. Military Representative Office, Naval Operations in Beijing, Beijing 100094, China；2. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China；3. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The traditional AC network wind farm system has some problems, such as repeated electrical energy conversion, high cost. Aiming at it, A large capacity direct drive wind power unit cascaded DC grid system was designed. The network allowed series interconnection of wind turbines to distributed high-voltage DC (HVDC) power transmission without the AC transformer and the offshore platform. The direct drive permanent magnet power generator (PMSG) and the converter were used in the wind turbine. The converter including the AC/DC unit and the DC/DC unit, and the control strategy has been designed, that was allowed the current to flow at all times in the DC link while simultaneously regulating generator torque by adjusting the duty of the DC/DC unit. The working mode and the control strategy of the land-based thyristor-based inverter power plant had also been developed to realizing the voltage and current regulation of the HVDC link. At last, a complete 150 MW wind farm simulation based on PSCAD/EMTDC was built, and some calculations had been done. The simulation results indicated that the stable operation of the proposed configuration where each turbine was able to independently perform peak power tracking and the robustness and adaptability to the change of wind speed was also good at the same time.

wind power generation; offshore wind farms; high-voltage DC power transmission; DC grid

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51490681):電力電子器件及其組合混雜系統(tǒng)多時(shí)間尺度的動(dòng)力學(xué)表征；國(guó)家973項(xiàng)目(2015CB251004):大功率全控型電力電子器件失效機(jī)理及盡限應(yīng)用；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477180):考慮非線性和頻變特性的艦船綜合電力非正弦供電MW級(jí)中頻變壓器建模和損耗評(píng)估項(xiàng)目

厲 孟(1985—)，男，工程師,研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?謝 楨(1985—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)。 李長(zhǎng)樂(lè)(1983—)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

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1673-6540(2017)05- 0046- 06

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