光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的新型孤島檢測方法

龔會茹， 易靈芝， 沈建飛， 潘元勇

(湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院， 湘潭 411105)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的新型孤島檢測方法

龔會茹， 易靈芝， 沈建飛， 潘元勇

(湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院， 湘潭 411105)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生孤島時(shí)，不僅對設(shè)備造成破壞，而且危及維修人員的安全。傳統(tǒng)的定期電流幅值變化(PCMV)檢測方法需要加入備用的主動擾動才能得出相關(guān)因子Cf，降低了檢測的速度，直接影響了并網(wǎng)電能質(zhì)量，針對上述問題，提出一種新型的基于電流擾動的孤島檢測方法。此方法通過檢測逆變器輸出電壓Vinv和電流擾動率K計(jì)算出相關(guān)因子Cf，比較Cf與閾值來判斷是否發(fā)生了孤島效應(yīng)。對3 kW光伏逆變器進(jìn)行仿真研究和實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，檢測時(shí)間短，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

光伏； 孤島檢測； 定期電流幅值變化； 電流擾動； 相關(guān)因子

孤島效應(yīng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電普遍存在的問題，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，如對負(fù)載端用戶的設(shè)備造成損壞；孤島線路危及檢修人員的人身安全；在重新合閘前沒有消除孤島效應(yīng)也將會導(dǎo)致不同步并網(wǎng)[1～3]。

傳統(tǒng)的孤島檢測分為被動式檢測和主動式檢測，被動式孤島檢測是利用孤島運(yùn)行時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率和相位不穩(wěn)定而進(jìn)行的檢測主動式檢測方法是通過控制逆變器，使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動[1，4～6]。

為能快速檢測及最大限度地降低檢測方法對電能質(zhì)量的影響，并能判別是孤島現(xiàn)象與電網(wǎng)電壓異常偏離，本文提出一種基于電流擾動的孤島檢測方法，利用當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)逆變器輸出電壓和添加電流擾動的相互關(guān)系產(chǎn)生相關(guān)因子，比較其相關(guān)因子后設(shè)定閾值，比較相關(guān)因子與閾值大小，高于閾值時(shí)判斷發(fā)生了孤島，并且電網(wǎng)電壓異常偏離時(shí)相關(guān)因子為負(fù)值，由此與孤島現(xiàn)象區(qū)分開。新型電流擾動的有功功率由直流側(cè)電容器緩沖，不會影響光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的有功功率。針對傳統(tǒng)的PCMV孤島檢測方法[7]相比，該檢測方法可很容易得到相關(guān)因子，并且具有快速孤島檢測能力、高可靠性，能夠區(qū)分孤島現(xiàn)象與電網(wǎng)電壓的異常偏離，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 光伏并網(wǎng)孤島效應(yīng)的分析

孤島效應(yīng)的檢測和防止一般是通過檢測并網(wǎng)系統(tǒng)輸出端電壓幅值和頻率實(shí)現(xiàn)的。通常在電網(wǎng)斷開時(shí)，如果光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率和電網(wǎng)需求功率之間不平衡時(shí)，會引起光伏系統(tǒng)輸出電壓幅值或頻率發(fā)生很大改變，這時(shí)通過電網(wǎng)電壓的過/欠壓保護(hù)以及過/欠頻率保護(hù)來檢測電網(wǎng)電壓斷電，從而防止孤島效應(yīng)。然而，當(dāng)負(fù)載消耗的有功功率和無功功率與光伏系統(tǒng)提供的功率相差非常小時(shí)，并網(wǎng)系統(tǒng)附近市電電網(wǎng)的電壓和頻率變動量很小而不足以被檢測到的時(shí)候，通過被動的方法檢測孤島效應(yīng)就會變得很難[8～10]。孤島現(xiàn)象分析結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 孤島現(xiàn)象分析結(jié)構(gòu)

圖中選用帶有普遍性的電阻R、電容C和電感L并聯(lián)作為該系統(tǒng)的負(fù)載，A點(diǎn)為光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的連接點(diǎn)。

此時(shí)負(fù)載阻抗為

Z=|Z|∠φ

(1)

當(dāng)斷路器閉合，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時(shí)：此時(shí)光伏系統(tǒng)向A點(diǎn)提供的功率為P+jQ，負(fù)載得到的有功功率和無功功率分別為

Pload=U2/R

(2)

Qload=U2/(1/ωL-ωC)

(3)

由電網(wǎng)向負(fù)載提供的有功功率和無功功率分別為

ΔP=P-Pload

(4)

ΔQ=Q-Qload

(5)

式中：U和ω分別為負(fù)載電壓和角頻率；P和Q分別為光伏電池輸出的有功功率和無功功率；Pload和Qload分別為負(fù)載的有功功率和無功功率；ΔP和ΔQ分別為光伏電源和負(fù)載之間的功率偏差。

當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，斷路器斷開，從式(2)可以看出，如果光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的有功功率和負(fù)載消耗的有功功率不匹配，公共點(diǎn)的電壓U將會增加或者減小，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)即P=Pload，從式(3)可以看出，如果負(fù)載消耗的無功功率不變，當(dāng)U發(fā)生變化時(shí)，頻率也會發(fā)生變化。一般情況下，光伏系統(tǒng)只輸出有功功率，負(fù)載消耗的無功功率由電網(wǎng)提供，當(dāng)孤島現(xiàn)象發(fā)生時(shí)Qload=0，則有

1/ωL-ωC=0

(6)

若U或f改變足夠大，就可通過電壓或頻率檢測到電網(wǎng)異常情況從而切斷與電網(wǎng)的電氣連接，否則僅依靠電壓或頻率檢測無法得知電網(wǎng)異常情況，系統(tǒng)繼續(xù)以并網(wǎng)方式運(yùn)行，即進(jìn)入檢測盲區(qū)。

2 新型電流擾動孤島檢測法

孤島檢測主動式主要集中在擾動逆變器的輸出，使其在孤島狀態(tài)下相關(guān)電參量不斷偏移直至觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)。逆變器輸出電流的表達(dá)式為

Iinv=Imsin(ωt+φ)

(7)

由此可得可施加擾動的量有：電流幅值Im、電流頻率f、電流相位φ，以此產(chǎn)生了基于幅值的擾動、基于頻率的擾動、基于相位的擾動。本文采用基于幅值擾動的電流擾動檢測方法的方法。

2.1 新型電流擾動孤島檢測法的原理

該方法基于孤島發(fā)生時(shí)電流的周期性變化，然后通過計(jì)算電流擾動偏差和逆變器輸出電壓產(chǎn)生的相關(guān)因子。利用光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，逆變器輸出電壓是受電網(wǎng)電源控制的，與電流擾動的相關(guān)性很弱，孤島發(fā)生時(shí)，逆變器的輸出電壓與電流擾動有很強(qiáng)的相關(guān)性。所以，可以用輸出電壓與電流擾動產(chǎn)生的相關(guān)因子，比較其與閾值的大小，高于閾值時(shí)，判斷孤島發(fā)生，添加的電流擾動不會影響光伏陣列的最大功率跟蹤的有功功率，其擾動產(chǎn)生的有功功率由直流側(cè)的電容器緩沖。所以定義相關(guān)因子為

(8)

ΔVinv,rms[t]=Vinv,rms[t]-Vinv,rms[t-1]

ΔK[t]=K[t]-K[t-1]

式中：Cf為相關(guān)因子；N為計(jì)算相關(guān)因子的觀測周期；Vinv,rms為逆變器輸出電壓有效值；ΔVinv,rms為逆變器輸出電壓有效值偏差；K為額定電流時(shí)的擾動率，K=10%Iinv；ΔK為電流擾動率偏差。

新型電流擾動的孤島檢測方法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中，光伏陣列采用60塊組件，輸出電壓為30 V，經(jīng)過Boost升壓電路和全橋PWM逆變器之后得到220 V/50 Hz的交流電，與電網(wǎng)同頻同相時(shí)并網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)電源因故障斷網(wǎng)時(shí)引起逆變器端輸出電壓升高或降低，高于1.1Vinv或低于0.88Vinv時(shí)添加電流擾動，在每6個(gè)電源周期擾動逆變器輸出電流一次，采用K=10%Iinv的擾動率擾動，直流側(cè)電流沒有被擾動。

圖2 新型電流擾動孤島檢測法的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

電流擾動原理如圖3所示，其中Vde_ref為直流側(cè)電壓的參考值，為使逆變后得到220 V的交流電壓，這里設(shè)為390 V，Vdc為直流側(cè)電壓，Vinv為逆變器輸出電壓，Iinv_ref為逆變器輸出電流的參考值，Iinv為逆變器輸出電流。

圖3 電流擾動原理

模塊的輸入信號為直流側(cè)參考電壓、直流側(cè)電壓、逆變器輸出電壓和電流、電流擾動，模塊的輸出為PWM的觸發(fā)脈沖信號，控制開關(guān)管的開和關(guān)的時(shí)間，使電壓有效值能增加或減小。

根據(jù)式(8)，單相光伏逆變系統(tǒng)的主要工作波形見圖4。孤島檢測時(shí)間應(yīng)小于0.5 s，當(dāng)前擾動周期設(shè)置為12，它包含模式1和模式2兩個(gè)階段。模式1中的6個(gè)周期加入具有相同擾動率為K的電流擾動，連貫的擾動使平均輸出功率等于逆變器額定功率，模式2中的6個(gè)周期沒有加入擾動。

圖4 單相光伏逆變系統(tǒng)的主要工作波形

在圖4中，從上至下依次為：電網(wǎng)電壓有效值波形、逆變器輸出電壓有效值波形、逆變器輸出電壓有效值偏差波形、擾動率K、擾動率偏差ΔK，逆變器輸出電流瞬時(shí)值波形、相關(guān)因子Cf。從圖中可以看出當(dāng)tlt;t0時(shí)，逆變器輸出電壓被電網(wǎng)電壓保持，Cf理想值為0，在電網(wǎng)阻抗非常弱的條件下，由于電網(wǎng)電源和逆變器輸出電壓計(jì)算的相關(guān)因子可能超過閾值，在電網(wǎng)電源低阻抗不變情況下t=t0沒有電流擾動時(shí)在實(shí)際負(fù)載的平衡作用下逆變器輸出電壓仍然不發(fā)生變化，直到t=t1時(shí)刻，于是相關(guān)因子Cf仍然是0。孤島發(fā)生在t=t0時(shí)刻，孤島發(fā)生時(shí)流向電網(wǎng)的功率為0即ΔP=0，ΔQ=0。在t=t1時(shí)刻，逆變器的電流開始以擾動率為K被擾動，之后逆變器輸出電壓隨電流擾動使相關(guān)因子增加。當(dāng)相關(guān)因子Cf高于閾值時(shí)，逆變器證實(shí)孤島產(chǎn)生并在t=tx時(shí)跳閘。

2.2 閾值計(jì)算

通過計(jì)算逆變器輸出電壓得到相關(guān)因子求得適當(dāng)?shù)拈撝怠?/p>

最能判定孤島檢測能力時(shí)，負(fù)載配置要求是品質(zhì)因數(shù)為0、1、2.5、3。品質(zhì)因數(shù)為0時(shí)，負(fù)載R、L、C分別為R=16.13 Ω、L=1.7 H、C=0 μF；品質(zhì)因數(shù)為1時(shí)，負(fù)載分別為R=16.13 Ω、L=42.8 mH、C=164 μF；品質(zhì)因數(shù)分別為2.5時(shí)，負(fù)載為R=16.13 Ω、L=17.1 mH、C=411 μF；品質(zhì)因數(shù)為3時(shí)，負(fù)載分別為R=16.13 Ω、L=15.12 mH、C=523 μF。

R、L、C必須滿足

(9)

基于電流節(jié)點(diǎn)的原理分析可得

(10)

(11)

式中：Vinv為逆變器輸出電壓；Iinv為逆變器輸出電流，通過式(10)和式(11)，可計(jì)算得逆變器輸出電壓和電流，在模式1下品質(zhì)因數(shù)為0時(shí)計(jì)算出逆變器輸出電壓，最大預(yù)期相關(guān)因子定義Cf為

(12)

在第二種和第三種情況下，孤島產(chǎn)生后逆變器輸出電壓可以通過解微分方程(14)得

(13)

(14)

由式(14)得到，相關(guān)因子在品質(zhì)因數(shù)為1、2.5和3情況下分別為3.28、0.98和1.56。在仿真研究中閾值設(shè)為0.98，取最低點(diǎn)，高于閾值即為孤島產(chǎn)生。仿真研究中通過多組品質(zhì)因數(shù)和相關(guān)因子的數(shù)值關(guān)系可以驗(yàn)證閾值0.98選取的正確性。

在電網(wǎng)驟升/驟降情況下，相關(guān)因子可減小到一定負(fù)值，可在仿真研究和實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

2.3 電流擾動對光伏陣列MPPT的影響

直流側(cè)電壓的偏差可以反映電流擾動對光伏最大功率輸出的影響，依據(jù)

(15)

(16)

可以分析一個(gè)周期的平均直流電壓偏差值，從直流側(cè)電壓390 V能計(jì)算出的直流側(cè)電壓降低為3 V，這對220 V的交流電沒有影響，對最大功率輸出沒有影響。其中，

3 仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真研究

采用Matlab進(jìn)行仿真研究。光伏逆變器額定功率為3 kW，額定輸出電壓有效值為220 V，額定輸出電流有效值為13.6 A，電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz，直流側(cè)電容為4 700 μF。設(shè)置電網(wǎng)在0.5 s斷電由光伏系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電，發(fā)生孤島現(xiàn)象，分別對品質(zhì)因數(shù)為0、1、2.5、3下進(jìn)行仿真研究。新型電流擾動的孤島檢測方法仿真模型見圖5。

圖5 新型電流擾動的孤島檢測仿真模型

新型電流擾動的孤島檢測方法流程見圖6，它包括由鎖相環(huán)過零、定期電流擾動、相關(guān)因子計(jì)算和決策過程。

該方法工作時(shí)，對公共點(diǎn)A點(diǎn)(見圖1)電壓進(jìn)行采樣后，判斷A點(diǎn)電壓是否為0，當(dāng)A點(diǎn)電壓為0時(shí)，電流擾動對逆變器端輸出電流進(jìn)行擾動，這是逆變器輸出的電壓和擾動的電流有很強(qiáng)的相關(guān)性，產(chǎn)生相關(guān)因子，并計(jì)算，如果這時(shí)的相關(guān)因子大于閾值則可以判斷孤島產(chǎn)生。

圖6 新型電流擾動的孤島檢測方法流程

圖7和圖8示出新型電流擾動孤島檢測方法的仿真結(jié)果。

(a) 并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出電壓

(b) 0.5 s斷網(wǎng)后逆變器輸出電壓

(c) 0.5 s斷開電網(wǎng)電壓

(a) 品質(zhì)因數(shù)0時(shí)的Cf

(b) 品質(zhì)因數(shù)1時(shí)的Cf

(c) 品質(zhì)因數(shù)2.5時(shí)的Cf

(d) 品質(zhì)因數(shù)3時(shí)的Cf

(e) 品質(zhì)因數(shù)與相關(guān)因子的關(guān)系

仿真結(jié)果分析如下。

圖7(a)表示光伏并網(wǎng)時(shí)逆變器輸出電壓波形，穩(wěn)定在220 V，正常穩(wěn)定運(yùn)行；圖(b)表示在0.5 s時(shí)電網(wǎng)斷開后逆變器端電壓降至192 V，低于0.88Vinv；圖(c)中Vgrid為電網(wǎng)側(cè)輸出電壓，表示在0.5 s時(shí)電網(wǎng)斷開后電網(wǎng)端的電壓為0。

圖8(a)～(d)中為新型電流擾動檢測方法在品質(zhì)因數(shù)為0、1、2.5、3時(shí)的模擬結(jié)果，可以看出孤島發(fā)生在0.5 s，在此之前逆變器電流沒有被擾動，電壓沒有偏差，相關(guān)因子仍然是0，在0.5 s后電流

擾動開始，相關(guān)因子開始增長，孤島產(chǎn)生后逆變器輸出電壓由于負(fù)載的配置不同，最大的相關(guān)因子也是不同的，負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)較高，孤島產(chǎn)生后相關(guān)因子會得到一個(gè)較低的值，在圖8 (e)可以看出在不同品質(zhì)因數(shù)下產(chǎn)生的相關(guān)因子的關(guān)系圖，在品質(zhì)因數(shù)2.5附近取多個(gè)值，得到的相關(guān)因子均大于在2.5時(shí)的相關(guān)因子，在2.5時(shí)得到一個(gè)最低點(diǎn)0.98，之后開始增加，仿真結(jié)果驗(yàn)證了第2.3節(jié)中相關(guān)因子閾值取0.98的合理性。

仿真結(jié)果表明該孤島檢測方法檢測時(shí)間為12個(gè)周期0.2 s，比PCMV電流檢測時(shí)間短，并且遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定120個(gè)周期2.4 s的時(shí)間，說明了該方法具有很好的快速性。

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升/降時(shí)，可能會造成偽孤島現(xiàn)象，造成誤判，新型電流擾動孤島檢測法可區(qū)分這兩種現(xiàn)象，圖9為電網(wǎng)電壓驟升/降時(shí)仿真結(jié)果。

(a) 電網(wǎng)電壓在0.5 s和0.7 s之間驟升

(b) 電網(wǎng)電壓在0.5 s和0.7 s之間驟降

(c) 電網(wǎng)電壓驟升/降時(shí)的Cf

圖9(a)(b)表示沒有電流擾動時(shí)電網(wǎng)電壓驟升/降的仿真結(jié)果，從中可以看出在0.5 s時(shí)電壓驟升到242 V或者是驟降到193 V，這時(shí)可以通過相關(guān)因子為0來判斷沒有電流擾動。在0.7 s時(shí)電壓降到或者回升到220 V時(shí)電流擾動開始增加，這時(shí)相關(guān)因子輸出是一個(gè)為-0.7，從圖9(c)中可以看出相關(guān)因子的變化。因此，這種方法還能夠區(qū)分孤島現(xiàn)象和電網(wǎng)電壓的異常偏離以防止啟動孤島保護(hù)措施。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文進(jìn)一步根據(jù)圖5進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過stc單片機(jī)采用30 MHz晶振產(chǎn)生50 Hz、220 V工頻電壓，控制該電壓使其幅值可變、頻率可變，負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為0和2.5，使用Gwinstek GDS-2102示波器生成波形如圖10所示。

(a) 逆變器端輸出的電壓波形

(b) 品質(zhì)因數(shù)為0時(shí)的Cf

(c) 品質(zhì)因數(shù)為2.5時(shí)的Cf

(d) 電網(wǎng)驟升/降時(shí)的Cf

圖10(a)表示光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島發(fā)生時(shí)逆變器輸出的電壓波形，由圖可知，出現(xiàn)孤島時(shí)，A點(diǎn)的電壓明顯減??；圖10(b)表示負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為0時(shí)的相關(guān)因子的變化波形，0.5 s斷網(wǎng)時(shí)相關(guān)因子開始快速累積，0.7 s時(shí)達(dá)到高峰，圖10(c)表示負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為2.5時(shí)的相關(guān)因子的變化波形，峰值變小，這時(shí)得到閾值從而驗(yàn)證了此時(shí)選取閾值的合理性，圖10(d)表示電網(wǎng)電壓驟升/降的時(shí)得到的相關(guān)因子實(shí)驗(yàn)圖波形，可以看出0.7 s時(shí)得到的相關(guān)因子為-0.7，所以可以區(qū)分孤島現(xiàn)象和電網(wǎng)電壓的異常偏離以防止啟動孤島保護(hù)措施。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真研究結(jié)果相吻合，從而也驗(yàn)證了該方法的可行性。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的PCMV孤島檢測方法需要加備用的主動擾動產(chǎn)生相互關(guān)系以得到相關(guān)因子的缺點(diǎn)，提出通過對逆變器輸出電壓的幅值周期性新型電流擾動，得到相關(guān)因子的檢測方法，通過比較相關(guān)因子得出閾值，高于閾值時(shí)判斷產(chǎn)生了孤島。以該方法建立了3 kW光伏逆變器的仿真研究和stc單片機(jī)實(shí)驗(yàn)研究。算法簡單并且檢測時(shí)間符合國際孤島檢測的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，添加的電流擾動不會影響最大功率跟蹤的有功功率，還能夠區(qū)分孤島現(xiàn)象和電網(wǎng)電壓的異常偏離。

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龔會茹(1986-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。Email:397318691@qq.com

易靈芝(1966-)，女，教授，研究方向?yàn)榻涣髡{(diào)速與電力電子裝置、新能源發(fā)電技術(shù)等。Email:450337856@qq.com

沈建飛(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭mail:739155589@qq.com

NewIslandDetectionMethodofPVGrid-ConnectedSystem

GONG Hui-ru， YI Ling-zhi， SHEN Jian-fei， PAN Yuan-yong

(College of Information Engineering，Xiangtan University， Xiangtan 411105， China)

The island occurrence in photovoltaic (PV) grid-connected system will not only damage the equipments, but also endanger the life safety of people. The traditional periodic current magnitude variation (PCMV) detection method requires adding alternate active disturbance to draw the correlation factor, which reduces the detection speed and has a direct impact on the quality of electric power grid. In order to solve the above problem, a kind of novel islanding detection method is proposed based on the current disturbance. This method detects the output voltage and current disturbance of the inverter, calculates the correlation factor, and then compares the correlation factors with threshold value to judge whether the island effect occurs. In this paper, 3kW photovoltaic inverter is used to both simulation and experiments. The results verify the feasibility of the method, which has the short testing time and a certain application value.

photovoltaic power (PV)； island effect； periodic current magnitude variation (PCMV)； current disturbance； correlation factor

TM615

A

1003-8930(2012)01-0059-07

2011-10-17；

2011-11-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977080)；教育部教育研究課題(2009-ZX-052)；湖南省科技廳項(xiàng)目(2010FJ3116)；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(10A114)；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目“太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的孤島監(jiān)測”資助。