分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)概述

丁 陸，鄧秋玲，陳 可，謝吉堂

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

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分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)概述

丁 陸，鄧秋玲，陳 可，謝吉堂

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101)

風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電是目前兩種主要的新能源發(fā)電技術(shù).由于風(fēng)能和太陽(yáng)能是隨機(jī)變化的，因此單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能發(fā)電具有輸出不穩(wěn)定、效率不理想等一系列缺陷.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)綜合考慮了風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的特性，并充分發(fā)揮了風(fēng)能和太陽(yáng)能所具有的天然的互補(bǔ)性，與單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電相比有許多優(yōu)點(diǎn)，是將來微網(wǎng)建設(shè)和研究的重點(diǎn)方向.本文主要對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行概括，分析了一些基本控制方法.

風(fēng)力發(fā)電；太陽(yáng)能發(fā)電；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電；微網(wǎng)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，嚴(yán)峻的能源問題越來越受到人民的重視，傳統(tǒng)化石能源的使用不但對(duì)環(huán)境構(gòu)成危害，而且也會(huì)隨著時(shí)間的推移被人類使用殆盡，因此，可再生新能源的利用也日益引起人們的關(guān)注.目前，風(fēng)能和太陽(yáng)能是兩種比較常用的新能源，這兩種能源從利用角度上來說具有互補(bǔ)作用以及良好的匹配性[1].同時(shí)，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的配合使用可以彌補(bǔ)獨(dú)立的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電的某些缺陷，可通過利用儲(chǔ)能系統(tǒng)使獨(dú)立的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電得到整合.風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)荷和資源條件的不同進(jìn)行合理的配置.不僅可以提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，還可以使系統(tǒng)的造價(jià)合理[2].本文從風(fēng)光混合系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，系統(tǒng)地探討了風(fēng)光混合發(fā)電的一些基本問題.

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要是由電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)、電能的控制環(huán)節(jié)以及電能的存儲(chǔ)和電能利用環(huán)節(jié)組成.其中電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與太陽(yáng)能光伏電池組，電能的控制環(huán)節(jié)主要由控制器、直流控制中心和逆變器等組成，電能的存儲(chǔ)與利用環(huán)節(jié)主要有蓄電池以及各類交、直流負(fù)載.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 風(fēng)力發(fā)電

1.2 太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是指利用太陽(yáng)能電池中半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置.硅太陽(yáng)能電池目前世界上最常用的太陽(yáng)能電池.硅太陽(yáng)能電池主要有三類：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池.這三種電池有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中單晶硅電池價(jià)格相對(duì)要高，多晶硅電池成本與單晶硅相比稍低但轉(zhuǎn)化效率也比單晶硅要差，非晶硅電池價(jià)格低光電轉(zhuǎn)換效率也低，所以一般只用于小型的產(chǎn)品中[3].

1.3 蓄電池

電能的存儲(chǔ)環(huán)節(jié)是由蓄電池來完成的，目前最常用的蓄電池是鉛酸蓄電池.蓄電池主要包括有三種工作狀態(tài)：充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和浮充狀態(tài)[4].蓄電池的整個(gè)工作循環(huán)由這三種狀態(tài)構(gòu)成.

(1)充電狀態(tài).蓄電池的充電方法常用的主要有恒壓充電、恒流充電、二段式充電與三段式充電幾種.階段充電法避免了恒壓充電和恒流充電這兩種單一的充電方式的不足，緩解了充電時(shí)沖擊過大、充電曲線不平穩(wěn)等問題.

①二段式充電方式.采用先恒流充電至預(yù)定電壓值再以恒定電壓進(jìn)行充電，這種充電方法充電過程穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差小，避免了恒流恒壓充電的一些缺點(diǎn)，在充電前期不會(huì)出現(xiàn)大電流，充電后期不會(huì)產(chǎn)生大電壓.可通過PID控制算法進(jìn)行仿真并有很好的效果，使系統(tǒng)更加容易實(shí)踐應(yīng)用[5].

②三段式充電.三階段充電是相對(duì)二階段充電而言的，在完成二價(jià)段充電之后，電池已達(dá)到額定容量，此時(shí)再進(jìn)行涓流充電以補(bǔ)充蓄電池自放電的電能損失.三段式充電主要有兩種方式：大電流充電-恒壓充電-浮充、恒流充電-恒壓充電-浮充.

此外，除了以上常用的充電方法外，還有其他的一些智能充電控制策略正在被研究.文獻(xiàn)[6]中根據(jù)單個(gè)蓄電池的差異提出了分只充電方法，循環(huán)對(duì)每只蓄電池進(jìn)行檢測(cè)充電.文獻(xiàn)[7]把三段式充電的思想與分只均充相結(jié)合，分為三個(gè)階段對(duì)蓄電池進(jìn)行充電.文獻(xiàn)[8]介紹了一種部分荷電循環(huán)法，使蓄電池在正常的充放電條件下不過放也不過充，在一個(gè)時(shí)間階段內(nèi)維持在部分容量的荷電狀態(tài)下進(jìn)行充放電使用，再定期的對(duì)蓄電池進(jìn)行完整的充電.

(2)放電狀態(tài).目前對(duì)放電狀態(tài)介紹主要是電壓控制法和電流控制法.電壓控制法是指在放電時(shí)保持輸出的電壓穩(wěn)定，直到達(dá)到電壓最低閥值，蓄電池停止放電.文獻(xiàn)[9]中采用了回差電壓控制法進(jìn)行放電，即只有在電壓達(dá)到一定值的時(shí)候蓄電池進(jìn)行放電，當(dāng)降低到過放保護(hù)電壓時(shí)蓄電池就停止放電.電流控制法是指蓄電池最初以恒定電流進(jìn)行放電，在放電過程中蓄電池的電壓會(huì)逐漸降低，當(dāng)電壓降低到一定值的時(shí)候，蓄電池就停止放電[10].文獻(xiàn)[11]把負(fù)載分為幾個(gè)等級(jí)，按照優(yōu)先級(jí)別，當(dāng)蓄電池放電電壓低于各個(gè)等級(jí)負(fù)載時(shí)，按時(shí)間順序分別把各個(gè)負(fù)載切斷，優(yōu)先切斷一般負(fù)載.所有負(fù)載全部斷開后，當(dāng)蓄電池轉(zhuǎn)為充電時(shí)再接通負(fù)載.

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電最大功率控制

2.1 風(fēng)力發(fā)電最大功率跟蹤

風(fēng)能是隨機(jī)變化的，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出特性也是變化的，由風(fēng)力機(jī)最大功率曲線可知不同的參數(shù)下對(duì)應(yīng)不同的輸出功率，總存在一個(gè)最大功率點(diǎn)使系統(tǒng)輸出能量最大化.根據(jù)風(fēng)速的變化來對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制(MPPT).目前，常用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制主要是：最佳葉尖速比法、功率信號(hào)反饋法和擾動(dòng)觀察法[12].

(1)最佳葉尖速比法.風(fēng)力機(jī)的葉尖速比(λ)是表征風(fēng)力機(jī)性能數(shù)值，它是葉片葉尖速度和風(fēng)速的比值，每個(gè)葉尖速比都對(duì)應(yīng)有一個(gè)風(fēng)能利用系數(shù)，當(dāng)Cp在某個(gè)值所輸出的功率最大時(shí)，那么所對(duì)就的葉尖速比就是最佳葉尖速比λopt.因此，在風(fēng)速變化時(shí)，通過對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，來控制 使它盡可能的工作在λopt附近，獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤.最佳葉尖速比控制法在控制過程中要同時(shí)測(cè)出風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并要預(yù)設(shè)好最佳葉尖速比，得出實(shí)際葉尖速比再與最佳葉尖速比進(jìn)行比較.這種控制方法簡(jiǎn)單，但也增加了系統(tǒng)成本.文獻(xiàn)[9]中對(duì)風(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤就是采用的這種方法，通過對(duì)DC/DC占空比的調(diào)節(jié)來達(dá)到最大功率的控制，仿真表明系統(tǒng)具有很好的自調(diào)整能力.文獻(xiàn)[13]在最佳葉尖速比的基礎(chǔ)上，采用自尋優(yōu)控制策略，仿真結(jié)果表明這種策略具有很好的效果.

(2)功率信號(hào)反饋法[14].利用功率信號(hào)反饋法進(jìn)行功率跟蹤時(shí)需要知道最大功率曲線，測(cè)出風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的最佳功率與風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出的功率進(jìn)行比較，通過控制器進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到最佳功率跟蹤的目的.這種控制的原理簡(jiǎn)單，風(fēng)機(jī)的輸出波形比較理想，但需要測(cè)出比較精確的最大功率曲線，增加了系統(tǒng)成本，影響了控制精度，因此實(shí)用價(jià)值不大.

(3)擾動(dòng)觀察法.擾動(dòng)觀察法又叫爬山法，它的工作原理是給對(duì)象施加一個(gè)擾動(dòng)，再觀察風(fēng)力機(jī)輸出功率的變化，如果功率增加了則按原來方向繼續(xù)擾動(dòng)，反之則反向擾動(dòng)，可以直接給轉(zhuǎn)速施加擾動(dòng)或通過調(diào)節(jié)DC/DC變換電路占空比加擾動(dòng).這種方法由于其結(jié)簡(jiǎn)單、不需要測(cè)量其他參數(shù)，因而目前有廣泛的應(yīng)用.但在利用這種方法進(jìn)行功率跟蹤時(shí)會(huì)有振蕩存在且受到步長(zhǎng)大小的影響，容易產(chǎn)生誤判.文獻(xiàn)[15]根據(jù)風(fēng)光混合發(fā)電中雙DC/DC輸入的特點(diǎn)，在擾動(dòng)法的前提下，用自調(diào)整MPPT控制方法，通過控制占空比大小的方法來跟蹤最大功率點(diǎn)，這種方法有效的提高了擾動(dòng)法的跟蹤速度和穩(wěn)定性，防止了誤判的產(chǎn)生.

2.2 太陽(yáng)能發(fā)電最大功率跟蹤

太陽(yáng)能發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的一個(gè)過程，它受到溫度、光照強(qiáng)度的影響，電流與電壓呈非線性關(guān)系，輸出功率隨著外界環(huán)境的變化而變化.在一定條件下，總會(huì)有一個(gè)最佳電壓點(diǎn)，使輸出功率最大，為了使太陽(yáng)能電池在相同條件下輸出的功率最大化就需要對(duì)這個(gè)最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤.常用的三種MPPT控制技術(shù)，即恒電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀察法[16].

(1)恒電壓法.外界環(huán)境是不斷變化的，通過分析在不同條件下的輸出特性曲線，可以看出所有曲線最大功率點(diǎn)位置接近，可以大概知道在某個(gè)恒定電壓值或者在這個(gè)電壓值附近時(shí)不同條件下的功率最大，再對(duì)這個(gè)電壓值進(jìn)行控制以達(dá)到最大功率輸出.恒電壓法簡(jiǎn)單可靠、易實(shí)現(xiàn)，而且有不錯(cuò)的穩(wěn)定性.但是這種方法過于模糊，外界環(huán)境隨機(jī)性大，很難跟蹤到實(shí)際的最大功率，效率較低.

(3)擾動(dòng)觀察法.與風(fēng)力發(fā)電的擾動(dòng)觀察法原理類似，在太陽(yáng)能發(fā)電中的擾動(dòng)量一般是電壓值，可以直接施加擾動(dòng)或通過調(diào)節(jié)DC/DC的占空比來加擾動(dòng).這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的擾動(dòng)法一般是固定步長(zhǎng)的，對(duì)控制的精度有很大影響，適合外界條件變化緩慢的條件，目前大量研究者已采用了改進(jìn)的擾動(dòng)法.文獻(xiàn)[14]采用了變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法對(duì)系統(tǒng)的最大功率進(jìn)行追蹤控制，結(jié)果驗(yàn)證這種方法能夠快速的使系統(tǒng)達(dá)到最佳功率工作狀態(tài).文獻(xiàn)[15]中為了避免傳統(tǒng)擾動(dòng)法的缺點(diǎn)，采取自適應(yīng)占空比擾動(dòng)法，根據(jù)工作點(diǎn)所在位置不同自調(diào)整占空比的大小，不但繼承傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)，而且提高了系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，緩解了輸出功率的振蕩.

2.3 智能控制在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)功率控制中的應(yīng)用

應(yīng)用于風(fēng)電和光伏發(fā)電中功率跟蹤的智能控制有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制，其中主要是模糊控制.圖2所示是模糊控制器基本結(jié)構(gòu)圖.目前，已有大量學(xué)者對(duì)智能模糊控制在風(fēng)電和光伏發(fā)電功率跟蹤控制中的應(yīng)用做了深入的研究，特別是在光伏發(fā)電領(lǐng)域，有許多關(guān)于這方面的討論和研究.文獻(xiàn)[18]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊控制相結(jié)合分別對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行功率跟蹤，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成模糊規(guī)則再進(jìn)行模糊控制.這種方法響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)特性好且不易誤判.文獻(xiàn)[19]針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的特性，對(duì)模糊法進(jìn)行了改進(jìn)，與部分遮蔽狀況下的最大功率跟蹤方法結(jié)合，并在光伏電池有部分遮蔽狀態(tài)下的情況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).這種方法使跟蹤響應(yīng)速度更快，效率也得到提高.此外，為了使控制性能更優(yōu)越，把傳統(tǒng)PID控制與模糊控制方法結(jié)合也是研究的熱點(diǎn).文獻(xiàn)[20]、[21]均采用模糊控制和PID控制相結(jié)合方法，有效避免了單一的模糊控制和PID控制的缺點(diǎn)，基本做到了無靜差控制，提高了效率.文獻(xiàn)[22]在自適應(yīng)模糊控制的基礎(chǔ)上引入PID控制，提出了雙?？刂扑惴?，根據(jù)不同情況下對(duì)兩種控制方法進(jìn)行切換，減少了能量的損失，提高了光伏發(fā)的的效率.文獻(xiàn)[23]通過模糊控制對(duì)PID的三個(gè)參進(jìn)行自整定調(diào)整以達(dá)到控制要求，采用這種方法能夠很好的提高功率跟蹤的速度以及穩(wěn)定性.

圖2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)圖

3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

對(duì)整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，包括對(duì)蓄電池的充放電控制、最大功率跟蹤控制以及對(duì)Buck和Boost電路變換器控制等，以直流控制中心為紐帶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制.根據(jù)天氣變化實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤控制確保系統(tǒng)的發(fā)電量.并對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制，防止蓄電池過充和過放.及時(shí)調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)的輸出功率與負(fù)載所消耗的功率相匹配，同時(shí)在外界條件變化時(shí)，協(xié)調(diào)控制器要保證發(fā)電機(jī)不超速過載，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并防止異常的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行保護(hù).上文中已經(jīng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤以及系統(tǒng)蓄電池的充放電控制的種類和控制策略進(jìn)行了介紹.Buck/Boost電路是電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)與蓄電池及電能消耗環(huán)節(jié)的連接點(diǎn)，通過對(duì)Buck/Boost管的通斷進(jìn)行控制可以調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤方向.

文獻(xiàn)[24]通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的功率進(jìn)行分析，在不同的環(huán)境條件下，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電功率的變化，采取相應(yīng)的充放電控制策略，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制來達(dá)到有效的、穩(wěn)定的控制目的.文獻(xiàn)[25]介紹了一種獨(dú)立的風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的控制策略，減少了蓄電池的充放電次數(shù)，有效提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性.文獻(xiàn)[26]針對(duì)不同的問題采用不同的協(xié)調(diào)控制方案，并通過仿真驗(yàn)證了所采用方案的可行性和有效性.

4 結(jié)束語(yǔ)

能源是目前全球不得不面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題，傳統(tǒng)化石能源隨著社會(huì)的發(fā)展而逐漸衰竭.為了應(yīng)對(duì)一系列能源問題，新能源的開發(fā)與應(yīng)用越來越受到人們的重視.由于新能源在發(fā)電領(lǐng)域具有其天然的缺陷，比如輸出不穩(wěn)定、控制復(fù)雜、對(duì)電網(wǎng)影響等，這些都需要解決.電力電子技術(shù)的發(fā)展使新能源的控制技術(shù)日益完善，將對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的普及起著重要的支撐作用.未來是智能電網(wǎng)的時(shí)代，而新能源發(fā)電所組成的微電網(wǎng)將是構(gòu)成智能電網(wǎng)的重要部分，因此，發(fā)展新能源已是必然的趨勢(shì)，也將成為日后研究的重要內(nèi)容.

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[19]劉立群,王志新,顧臨峰.基于改進(jìn)模糊法的分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(15):70-74.

[20]胡海峰.基于模糊PID控制的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT研究[D].湖南大學(xué)碩士論文,2011.

[21]孫然然,張寅孩.基于模糊PID控制的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014,27(5):69-71.

[22]孫曉玲,惠 晶.基于自適應(yīng)模糊PID算法的光伏系統(tǒng)MPPT控制[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,22: 181-183.

[23]王 巖,李 鵬,唐勁飛.基于模糊參數(shù)自校正PID方法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(3):55-58.

[24]董英瑞,楊金明,胡海平.分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究[J].電測(cè)與儀表,2012,49(2):48-51.

[25]劉夢(mèng)璇.微網(wǎng)能量管理與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].天津大學(xué)博士論文,2012.

[26]王魯浩.基于風(fēng)光可再生能源的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能量協(xié)調(diào)控制[D].燕山大學(xué)碩士論文,2013.

Overview of Technology for Wind-solar-Hybrid Generation System

DING Lu, DENG Qiu-ling, CHEN Ke,XIE Ji-tang

(College of Elect. and Information，Hunan Institute of Engineering， Xiangtan 411101， China)

Currently, wind power generation and solar power generation are the two main types of new energy power generation technology.Because the wind energy and solar energy change randomly, the individual wind or solar power has a series of defects such as, the output instability,inefficiency and so on. The technology of wind-solar hybrid generation brings each of characteristics into full play. The utilization of wind energy and solar energy has a natural complementary advantages.So it is an important direction of micro network construction and research.This paper summarizes the basic structure of the wind-solar hybrid power generation and analyzes some basic control methods.

wind power generation; solar power generation; wind-solar hybrid generation;micro-network

2014-10-27

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012GK2079)；湖南省高校科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(12K126).

丁 陸(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù).

TM61

A

1671-119X(2015)01-0016-05