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浅谈交直流混合微电网能量管理系统应用

更新时间:2024-06-03      浏览次数:97

摘要:为了提升交直流混合微电网健康有效发展,提高直流互联微电网中分布式电源的能源使用效率,提升区域微电网稳定发展,对交直流混合微电网能量管理系统关键技术进行分析和研究很有必要。文章主要从交直流混合微电网能量管理系统架构、主要功能及系统通讯等方面进行了分析,并对其未来发展进行了展望,以期为能量管理与运行控制系统的研究和发展起到一定的推动作用。

关键词:交直流混合微电网;中央控制器;能量管理系统

1概述

交直流混合微电网能够有效整合交流微电网和直流微电网各自优势,构成交直流互补式供能系统。根据不同种类的分布式电源(交流型、直流型)和储能设备供给电能和存储电能方式的不同,来确定接入电网的方式,可有效提高运行效率;同时,根据交流负荷和直流负荷用电方式不同,选择合理的电能供给模式,又可显著提高用电效率。

微电网采用交直流互补供用电模式可有效减少单一的传统交流供用电模式中AC/DC和DC/AC等电能变换环节,从而有效降低多级变换造成的能量损耗;交直流混合微电网中直流网络部分有利于减少线损,避免多模态谐振。鉴于交直流混合微电网的诸多特点和优势,对交直流混合微电网能量管理系统进行开发和研究,以解决交直流混合微电网与配电网协调、交直流潮流断面分散协调、源荷互动协调、源源互动协调等复杂问题,同时通过优化算法来显著提高交直流混合微电网可再生能源利用率及综合效益水平,为需求侧提供一个稳定、可靠、绿色的供用电环境,具有较大的现实意义。

2系统结构

能量管理与运行控制系统(能量管理系统)由中央控制器和能量管理服务器组成。配置一套“源网荷储、多能互补"协调互动技术的综合能源管控系统,在以分布式光伏、直流负荷、充电桩,储能设备等构成的交直流微网的基础上,通过采集光伏变流器、储能变流器、风机变流器、充电桩、交直流多元化负荷、交直流母线、潮流控制器、电力电子变压器与并网支路测控装置等信息,智能处理各类信息数据,监控和管理整个能源系统,实现能源就地消纳、电能质量监测、负荷管理、用电信息采集、用户用能服务、削峰填谷、优化运行和经济调度等功能等功能。

3系统功能

3.1实时数据采集与处理

(1)具备数据采集功能,实时数据可从变流器、测控装置等采集,也可从监控系统获取。

(2)运行人员可在操作台上进行微电网源网荷互动优化、分散互动协调功能切换,实现微电网优化运行。

(3)具备安全闭锁功能。在运行参数超出规定的约束条件或相关保护动作时,控制功能自动闭锁,运行状态异常时及时报警。

(4)具备运行监视功能。运行人员能方便地监视交直流混合微电网系统的运行工况,母线电压、有功功率、无功功率、开关状态、设备运行状态、与其他设备的通信状态,能对一些关键状态进行监视。

(5)具备报警处理功能。能量管理系统运行异常或故障时能自动报警,停止分配结果输出,并形成事件记录。

(6)提供严格的权限管理保障运行人员操作安全。

(7)具备事件记录功能,可对能量管理系统告警、人员操作等形成事件记录。

3.2微电网源网荷互动优化

交直流混合微电网中的分布式发电与大电网供电互相补充,与大电网进行功率交换是交直流混合微电网的通常运行模式。在交直流混合微电网中源、网、荷分别指分布式电源、电网、负荷,而源网荷的建设及投资由不同主体管控,隶属于不同的主体,在电力市场环境下,分布式电源发电方、电网企业、电力用户成为具有各自利益的个体,具有的决策权,相互之间通过电量或电价联系。由于各方投资对象和关注的点不同,各方的投资收益受对方决策的影响,三方之间存在博弈关系,面向复杂主体多目标优化的博弈论可以解决这一难题。当微电网内负荷需求波动时,交直流混合微电网能量管理系统通过比较微电源发电成本和大电网的购(售)电成本,采用基于多方博弈模型的混沌粒子群算法,优化确定各分布式电源出力的调整量以及向大电网的购(售)电量,从而保证交直流混合微电网内的功率平衡,为用户提供可靠、经济的电能,实现能量结构的优化,使分布式电源、电网及负荷能够协调发展;

3.3交直流潮流断面分散协调

为了更好的满足高密度分布式能源的接入以及日益增加的直流负荷的需要,避免电能在多级转换中的损耗,融合了交流微网和直流微网各自优点的交直流混合微电网已日益成为微电网领域研究的热点。交直流混合微电网包含交流子微网和直流子微网,其交流区和直流区通过AC/DC双向潮流控制器相连。多台并列运行的AC/DC双向潮流控制器、电力电子变压器构成了交直流潮流断面,其对实现功率的跨区交互,以及维持交直流混合微电网内功率的动态平衡起到至关重要的作用。在交直流混合微电网中,交流区域和直流区域之间通过功率的双向流动实现相互支撑,实现互联。交流区域和直流区域各自的功率平衡要靠协调负荷、分布式发电单元、储能和AC/DC双向潮流控制器共同完成。因而AC/DC双向潮流控制器承担着交直流区域之间功率交换的任务,反映有功功率的交互情况,更是交直流潮流断面所在。

考虑到分布式电源出力具有波动性和不确定性,交直流负荷具有强随机性的特点,交直流混合微电网能量管理系统开发交直流潮流断面分散互动协调功能应用,通过交直潮流断面上多台AC/DC双向潮流控制器、电力电子变压器的功率通道,协调控制各个对象,实现交直流子微网之间潮流跨区互补,实现交直流混合微电网内功率实时、动态平衡,同时改善交流微网内频率质量和直流微网内的电压质量。

3.4其他功能

交直流混合微电网能量管理系统还有光伏预测、负荷预测、负荷控制、负荷追踪、平抑新能源波动、备用电源、移峰填谷、离网运行、并离网切换及黑启动等功能。

4系统通讯

能量管理与运行控制系统分为监控与能量管理控制系统(简称管理控制系统)和中央控制器两部分。管理控制系统用于界面展示,能量管理与能量调节等。管理控制系统通过以太网与中央控制器通讯。

中央控制器通过RS485采集光伏DC/DC、光伏AC/DC、储能双向AC/DC、AC/DC换流器、DC/DC变压器、直流断路器、充电桩、各类负荷等设备数据。通过以太网与交流子系统、直流子系统等进行通讯。

能量管理与运行控制系统网络架构分为三部分:应用层、网络层、感知层。应用层配置有操作人员工作站,主要用于运行人员监视及操作控制;可实现对系统软件、教据库的在线维护和修改;接受电网调度以及完成功率和负荷预测等功能;

应用层通过以太网或光纤通讯将这些设备与现场感知单元层互连,实现信息交换。

网络层包括中央控制器、工业交换机、本地配置设备等。

接收感知层设备的遥测、遥信信息以及应用层的遥控信息。

感知层主要包括电网系统的一次设备,如光伏组件及DC/DC变换器、储能电池及DC/DC变换器等。感知层设备通过RS485、以太网、CAN等通讯接口接入中央控制器,并接收中央控制器的控制指令。

系统内各个设备和中央控制器之间的通信采用网线或者RS485。监控与能量管理控制系统和中央控制器采用双网冗余配置,互为热备用。中央控制器和监控与能量管理控制系统都具备至少双网口,实现双网冗余通讯。软硬件的冗余结构将确保数据可靠、程序安全。

5 Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述

5.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统,是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求,总结国内外的研究和生产的先进经验,专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入,全天候进行数据采集分析,直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况,是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标,提升可再生能源应用,提高电网运行稳定性、补偿负荷波动;有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷,提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构,整个能量管理系统在物理上分为三个层:设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议,物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2技术标准

本方案遵循的国家标准有:

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准:

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范第1部分:通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台第2部分:性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范第5部分:场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范第6部分:验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统第5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网第1部分:微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网第2部分:微电网运行导则

5.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.4型号说明

6系统配置

6.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计,即站控层、网络层和设备层

7系统功能

7.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好,应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态,实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息,动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中,各子系统回路电参量主要有:三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值;状态参数主要有:开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理,使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理,能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警,并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面,包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况,包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求,也可将充电,储能及光伏系统信息进行显示。

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图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

7.1.1光伏界面

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图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息,主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

7.1.2储能界面

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图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

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图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置,包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

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图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置,主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

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图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

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图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

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图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据,主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

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图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息,主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

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图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息,主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等,同时展示当前储能电池的SOC信息。

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图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息,主要包括储能各模组的电芯电压与温度,并展示当前电芯的最大、最小电压、温度值及所对应的位置。

7.1.3风电界面

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图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息,主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

7.1.4充电桩界面

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图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息,主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用,变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

7.1.5视频监控界面

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图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面,且通过不同的配置,实现预览、回放、管理与控制等。

7.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据,对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测,并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划,便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

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图16光伏预测界面

7.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息,进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

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图17策略配置界面

7.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数,报表中显示电参量信息应包括:各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

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图18运行报表

7.5实时报警

应具有实时报警功能,系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位,及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警,应能实时显示告警事件或跳闸事件,包括保护事件名称、保护动作时刻;并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

7.6历史事件查询

应能够对遥信变位,保护动作、事故跳闸,以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度(锂离子电池)、压力(液流电池)、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理,方便用户对系统事件和报警进行历史追溯,查询统计、事故分析。

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图20历史事件查询

7.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测,使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况,以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1)在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值;

2)谐波分析功能:系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率;应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电流含有率;

3)电压波动与闪变:系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值;应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线;应能显示电压偏差与频率偏差;

4)功率与电能计量:系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率;应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素;应能提供有功负荷曲线,包括日有功负荷曲线(折线型)和年有功负荷曲线(折线型);

5)电压暂态监测:在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时,系统应能产生告警,事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员;系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6)电能质量数据统计:系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据,包括均值、最大值、最小值、95%概率值、方均根值。

7)事件记录查看功能:事件记录应包含事件名称、状态(动作或返回)、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

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图21微电网系统电能质量界面

7.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作,并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序,可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

7.9曲线查询

应可在曲线查询界面,可以直接查看各电参量曲线,包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

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图23曲线查询

7.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能,用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况,即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析;对系统运行的节能、收益等分析;具备对微电网供电可靠性分析,包括年停电时间、年停电次数等分析;具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

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图24统计报表

7.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态,能够完整的显示整个系统网络结构;可在线诊断设备通信状态,发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

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图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑,包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

7.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序,然后选择通信控制启动所有端口或某个端口,快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

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图26通信管理

7.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如遥控操作,运行参数修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限,为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

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图27用户权限

7.14故障录波

应可以在系统发生故障时,自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况,通过对这些电气量的分析、比较,对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条,每条录波可触发6段录波,每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形,总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

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图28故障录波

7.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据,包括开关位置、保护动作状态、遥测量等,形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件,当每个事件发生时,存储事故10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户和随意修改。

图29事故追忆

8结束语

为了提升交直流微电网的控制调度水平和电网运维服务水平,国内外众多科研机构和设备厂商纷纷开展了能量管理与运行控制系统的研究,其主要在数据采集与监视控制系统、调度计划、负荷预测等相关系统提供的数据基础上,实现对特定应用进行数据分析、能量预测、负荷管理、优化运行和经济调度等功能。目前研究较多的有通过开展“源网荷储"协调优化功能建设,协调控制可控的源网荷储资源,实现源网荷储综合效益,这体现智能配电网的主动控制理念;同时,多能互补用户侧集成优化能量管理系统是我国能源互联网领域的一个重要研究方向,它通过采集、控制以电为主的多种能源的信息流,实现了供给侧常规能源和可再生能源管理的有序、互补、梯次和优化利用。可以看到,能量管理与运行控制系统的研究及应用有很大的发展空间,需要更多科研力量的投入、科学技术的积累以及市场机制的完善来共同推动其发展。

参考文献

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[2]胡志毅.多能互补分布式能源系统架构及综合能源管理系统研究[J].能源与节能,2019(10):57-58.

[3]蔡世超.多能互补分布式能源系统架构及综合能源管理系统研究[J].吉林电力,2018,46(1):l-4.

[4]刘秀如.多能互补集成优化系统分析与展望[J].节能,2018,37(9):28-33.

[5]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05版.



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