林 俐,周 鵬,王世謙,田春箏
(1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 102206;2. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河南鄭州 450052)
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考慮相關(guān)性的地區(qū)風(fēng)電出力對調(diào)峰容量的影響分析
林 俐1,周 鵬1,王世謙2,田春箏2
(1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 102206;2. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河南鄭州 450052)
風(fēng)力發(fā)電是目前世界可再生能源開發(fā)技術(shù)中,最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化前景的能源利用方式。和傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式相比,風(fēng)力發(fā)電最根本的不同點在于其有功出力的隨機(jī)性、間歇性和不可控性[1-2],地區(qū)性的大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后,必須考慮地區(qū)風(fēng)電出力對負(fù)荷的影響以及電網(wǎng)的調(diào)峰能力。目前,通常假設(shè)高峰負(fù)荷時風(fēng)電出力為零,低谷負(fù)荷時風(fēng)電出力最大[3-4],以此計算出等效負(fù)荷,再根據(jù)等效負(fù)荷的峰谷差來計算電網(wǎng)所需要的調(diào)峰容量[5-9]。這會導(dǎo)致系統(tǒng)備用過高,造成整體效率過低,甚至限制系統(tǒng)接納風(fēng)電功率。但是如果對風(fēng)電的逆調(diào)峰特性估計不足,又可能造成系統(tǒng)熱備用不足,影響系統(tǒng)安全可靠運行,或?qū)⒃黾映R?guī)火電機(jī)組深度調(diào)峰的壓力導(dǎo)致火電機(jī)組煤耗上升,經(jīng)濟(jì)性下降。因此準(zhǔn)確評估基于調(diào)峰容量的系統(tǒng)風(fēng)電出力的日波動特性具有重要的實用價值和一定的理論意義。
文獻(xiàn)[10]針對風(fēng)電出力隨機(jī)性強(qiáng)、運行方式復(fù)雜多變的特點,采用概率性的方法,模擬年度風(fēng)電出力時序曲線和規(guī)劃年份時序負(fù)荷曲線,分析大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)調(diào)峰的影響。文獻(xiàn)[11]針對風(fēng)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)調(diào)峰的影響問題,以華北電網(wǎng)的實測數(shù)據(jù)為對象,分析風(fēng)電出力在不同時段的波動特點,對比分析了風(fēng)電月、日出力特性與負(fù)荷特性的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上研究風(fēng)電并網(wǎng)后對華北電網(wǎng)調(diào)峰的影響,得到風(fēng)力發(fā)電給調(diào)峰帶來負(fù)面影響的關(guān)鍵月份。文獻(xiàn)[12]分析了風(fēng)電并網(wǎng)對云南調(diào)峰的影響,研究在調(diào)峰約束下云南電網(wǎng)能接納的最大風(fēng)電功率。以上文獻(xiàn)在研究時只是定性分析風(fēng)電出力對電網(wǎng)調(diào)峰的影響,沒有分析風(fēng)電接入后系統(tǒng)調(diào)峰容量的計算。
文獻(xiàn)[13]以風(fēng)電場的實測風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在風(fēng)速的期望和方差未知的情況下,通過參數(shù)估計來求得發(fā)生概率較大的風(fēng)電出力場景,進(jìn)而計算該場景下的系統(tǒng)靜態(tài)電壓安全域邊界。所以該方法只適用于選取發(fā)生概率較大的風(fēng)電出力場景,在進(jìn)行地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰容量計算時并不適用。文獻(xiàn)[14]針對具有相關(guān)性的多個風(fēng)電場出力場景難以生成的問題,提出一種基于連接(Copula)函數(shù)的場景生成方法,避免了構(gòu)造多風(fēng)電場出力聯(lián)合概率分布這一難題,實現(xiàn)多風(fēng)電場出力的場景模擬。該方法是利用滿足Copula函數(shù)分布的多個風(fēng)電場樣本數(shù)據(jù),利用聚類方法產(chǎn)生幾個發(fā)生概率相近的場景,并不適用于進(jìn)行電網(wǎng)的調(diào)峰容量計算。
本文利用地區(qū)風(fēng)電出力和典型日負(fù)荷的歷史實測數(shù)據(jù),通過計算地區(qū)風(fēng)電出力和典型日負(fù)荷的皮爾遜相關(guān)系數(shù)[15],分析地區(qū)風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷的相關(guān)性,通過相關(guān)性的分析得出該地區(qū)風(fēng)電出力的調(diào)峰特性。其次,根據(jù)相關(guān)系數(shù)的分布,選取用于調(diào)峰容量計算的地區(qū)風(fēng)電典型出力特性,從而確定地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰容量,為含大規(guī)模風(fēng)電的電網(wǎng)調(diào)峰容量計算提供參考。
采集某一地區(qū)n天的風(fēng)電出力數(shù)據(jù),每天有m個等時間間隔采樣數(shù)據(jù),則風(fēng)電出力樣本集表示為
(1)
式中:xi,j表示第i天的第j個采樣點的風(fēng)電出力。
一個地區(qū)的日負(fù)荷在一段時間內(nèi)基本不會發(fā)生變化,所以可以用典型日負(fù)荷曲線來代表每天的負(fù)荷變化。典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)為m個等時間間隔數(shù)據(jù),可表示為
(2)
則典型日負(fù)荷的平均值為
(3)
第i天的風(fēng)電出力平均值為
(4)
式中:i=1,2,…,n。
則該地區(qū)第i天風(fēng)電出力數(shù)據(jù)Xi與典型日負(fù)荷Y的皮爾遜相關(guān)系數(shù)ri。
(5)
這里以含16個風(fēng)電場、額定容量為2 022MW的某地區(qū)電網(wǎng)為例進(jìn)行分析。
2.1 單風(fēng)電場出力特性分析
以該地區(qū)一個額定容量191MW的風(fēng)電場(記為A)為例,選取2013年冬季12月至次年2月份的實際風(fēng)電出力,逐日計算A風(fēng)電場出力和典型日負(fù)荷的皮爾遜相關(guān)系數(shù)r,圖1給出A風(fēng)電場出力和典型日負(fù)荷正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的風(fēng)電出力曲線,表1給出A風(fēng)電場對應(yīng)的r的分布。
圖1 A風(fēng)電場正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的風(fēng)電出力曲線
r的范圍天數(shù)所占比例/%0.9≤r≤1110.8≤r<0.9780.5≤r<0.816180≤r<0.52224-0.5 從表1中可以看出,在給定時間段內(nèi),A風(fēng)電場出力和典型日負(fù)荷正相關(guān)天數(shù)為46d,約占總天數(shù)的51%,負(fù)相關(guān)天數(shù)44d,約占總天數(shù)的49%,A風(fēng)電場在給定時間段的出力與典型日負(fù)荷成正相關(guān)以及呈負(fù)相關(guān)的天數(shù)基本一樣,逆調(diào)峰和順調(diào)峰天數(shù)沒有明顯的差別。而在該段時間內(nèi)沒有出現(xiàn)r<-0.9的情況,出現(xiàn)r<-0.8的情況也只有4d??梢娫诮o定時間段內(nèi),A風(fēng)電場出力出現(xiàn)明顯逆調(diào)峰特性的天數(shù)很少。 2.2 地區(qū)風(fēng)電出力特性分析 同理,選取2013年冬季12月至次年2月份的地區(qū)實際風(fēng)電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圖2給出正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的地區(qū)風(fēng)電出力曲線,圖3、圖4給出3條r>0.8和所有r<-0.8的地區(qū)風(fēng)電日出力曲線,表2給出冬季地區(qū)電網(wǎng)對應(yīng)的r的分布。 圖2 冬季正相關(guān)性和負(fù)相關(guān)性最大的地區(qū)風(fēng)電出力曲線和典型日負(fù)荷曲線 圖3 冬季r>0.8的風(fēng)電出力曲線和典型日負(fù)荷曲線 圖4 冬季r<-0.8的風(fēng)電出力曲線和典型日負(fù)荷曲線 r的范圍天數(shù)所占比例/%0.9≤r≤1110.8≤r<0.9780.5≤r<0.822240≤r<0.52326-0.5 可以看出,在所選的時間段內(nèi),該地區(qū)風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷正相關(guān)的天數(shù)有53d,約占總天數(shù)的59%,負(fù)相關(guān)的天數(shù)有37d,約占總天數(shù)的41%,在給定時間段內(nèi)該地區(qū)的風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷成正相關(guān)的天數(shù)更多,出現(xiàn)順調(diào)峰影響的天數(shù)更多。出現(xiàn)r>0.8的有8d,可見該地區(qū)風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷出現(xiàn)高度正相關(guān)性的可能性較小,r<-0.8的只有3d,可見風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)的可能性很小,逆調(diào)峰特性不明顯。 同理,選取2014年夏季6月到8月、春季3月到5月、秋季9月到11月的實際出力進(jìn)行分析。圖5~圖7給出了夏季、春季、秋季正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的風(fēng)電出力曲線,表3給出了夏季、春季、秋季r的分布。 圖5 夏季正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的地區(qū)風(fēng)電出力曲線和典型日負(fù)荷曲線 圖6 春季正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的地區(qū)風(fēng)電出力曲線和典型日負(fù)荷曲線 圖7 秋季正相關(guān)性最大和負(fù)相關(guān)性最大的地區(qū)風(fēng)電出力曲線和典型日負(fù)荷曲線 r的范圍夏季秋季春季天數(shù)比例/%天數(shù)比例/%天數(shù)比例/%0.9≤r≤133228100.8≤r<0.99109109110.5≤r<0.82022232521270 從每個季節(jié)來看,r的分布情況基本類似,r>0的天數(shù)明顯多于r<0的天數(shù),即該地區(qū)風(fēng)電出力順調(diào)峰的天數(shù)多于逆調(diào)峰的天數(shù)。地區(qū)風(fēng)電逆調(diào)峰特性并不明顯。從其它年份的數(shù)據(jù)分析也可得到類似結(jié)論。 2.3 風(fēng)電出力特性比較 從實例系統(tǒng)的冬季單風(fēng)電場和地區(qū)風(fēng)電出力特性可以看出: ① 單風(fēng)電場的出力最大為178.21MW,為額定容量的93.3%,最小為0,15min級的出力變化率最大為19.4%。而地區(qū)風(fēng)電出力最大值為1 278.97MW,為額定容量的63.3%,最小值為27.60MW,為額定容量的1.4%,15min級的地區(qū)風(fēng)電出力變化率最大為4.95%。由此可見,由于地區(qū)不同位置風(fēng)資源的波動性相互抵消,使得地區(qū)內(nèi)風(fēng)電出力的總體波動減弱,地區(qū)風(fēng)電出力的波動明顯小于單風(fēng)電場的出力波動。 ② 以地區(qū)風(fēng)電額定并網(wǎng)容量為基準(zhǔn),單風(fēng)電場出力的峰谷差約為60~178.21MW(31.4%~93.3%)。地區(qū)風(fēng)電出力峰谷差的范圍為140.15~895.20MW(6.9%~44.3%)。含多風(fēng)電場的地區(qū)風(fēng)電出力峰谷差率明顯小于單風(fēng)電場出力的峰谷差率。若以單風(fēng)電場出力特性按容量放大來代替地區(qū)風(fēng)電出力特性,將會放大地區(qū)的風(fēng)電的波動幅度和頻度,與實際地區(qū)風(fēng)電的出力特性不相符。 ③ 對于選定的實例電網(wǎng),單風(fēng)電場風(fēng)電出力和地區(qū)風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷呈現(xiàn)正相關(guān)的情況較多,呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)的情況較少,逆調(diào)峰特性不明顯。 3.1 調(diào)峰容量的計算方法 ① 常規(guī)調(diào)峰容量計算 通常地區(qū)風(fēng)電出力按極端情況處理,即負(fù)荷最大時風(fēng)電出力為0,而負(fù)荷最小時風(fēng)電出力最大(記為極端場景),按此種方法計算得出的調(diào)峰容量可以滿足所有情況下的調(diào)峰需求。 ② 按逆調(diào)峰特性最明顯的風(fēng)電出力場景計算調(diào)峰容量 利用逆調(diào)峰特性最明顯的風(fēng)電出力場景(對應(yīng)r最小的場景),計算此風(fēng)電出力場景下的調(diào)峰容量。 ③ 按r的分布選取典型風(fēng)電出力場景計算調(diào)峰容量 將風(fēng)電出力按逆調(diào)峰特性從強(qiáng)到弱進(jìn)行排列,即r從小到大進(jìn)行排列,取前10%對應(yīng)的日風(fēng)電出力,求取平均風(fēng)電出力,記為場景1,該場景代表了風(fēng)電逆調(diào)峰特性最強(qiáng)的前10%的日風(fēng)電出力的平均值。以此類推,取前20%、30%、40%、50%對應(yīng)的日風(fēng)電出力,分別求取平均風(fēng)電出力,記為場景2、場景3、場景4、場景5。據(jù)此計算典型風(fēng)電場景1~場景5下的調(diào)峰容量。 3.2 調(diào)峰容量的比較 以上述實際地區(qū)電網(wǎng)為例,該地區(qū)電網(wǎng)的典型日負(fù)荷峰谷差為1 013MW,負(fù)荷低谷時常規(guī)機(jī)組能提供的調(diào)峰容量為1 300MW,兩者相差287MW(約占地區(qū)最大負(fù)荷的10%)。 當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)的風(fēng)電并網(wǎng)容量較小時,這里設(shè)上述地區(qū)電網(wǎng)僅并入A風(fēng)電場,此時風(fēng)電并網(wǎng)容量約占地區(qū)總裝機(jī)容量的2.8%,選取冬季風(fēng)電出力數(shù)據(jù),按以上3種方法計算調(diào)峰容量,結(jié)果如表4。 表4 地區(qū)風(fēng)電容量較小時不同場景下的調(diào)峰容量 由表4可知,在地區(qū)電網(wǎng)風(fēng)電容量較小時,3種方法計算得出的調(diào)峰容量相差較小,最大相差也只為最大負(fù)荷的4.4%,按逆調(diào)峰特性最明顯的典型場景和場景1~場景5計算出的結(jié)果相差最大僅為最大負(fù)荷的0.4%,幾乎沒有差別。按極端場景和其余的場景計算得到的調(diào)峰容量,系統(tǒng)的調(diào)峰能力都能滿足要求,可見在地區(qū)風(fēng)電容量較小時按照常規(guī)調(diào)峰容量計算即可,不會導(dǎo)致備用過高。 圖8 場景1~場景5以及逆調(diào)峰特性最明顯的地區(qū)風(fēng)電出力曲線 當(dāng)?shù)貐^(qū)風(fēng)電容量較大時,這里以上述實際地區(qū)電網(wǎng)為例,該地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)容量占地區(qū)總裝機(jī)容量的29.9%。選取該地區(qū)風(fēng)電出力場景,圖8給出場景1~場景5以及逆調(diào)峰特性最明顯的地區(qū)風(fēng)電出力曲線,表5給出按上述3種不同方法的調(diào)峰容量計算結(jié)果。 表5 不同場景下的地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰容量 從圖8可以看出,逆調(diào)峰特性最明顯的場景和場景1~場景5的風(fēng)電出力曲線變化趨勢基本一致,其中場景1的風(fēng)電出力峰谷差大于其他場景的峰谷差。 按常規(guī)方法計算得到的調(diào)峰容量明顯高于按逆調(diào)峰特性最明顯的場景計算得出的調(diào)峰容量,相差達(dá)到最大負(fù)荷的55.7%。 按逆調(diào)峰最明顯的場景和按r的分布選取的典型場景(場景1~場景5)計算得出的調(diào)峰容量相差很小,最大相差僅為最大負(fù)荷的3.2%。 按r的分布選取典型場景計算得出的調(diào)峰容量相差很小,最大相差僅為最大負(fù)荷的3.2%。 考慮系統(tǒng)負(fù)荷低谷時常規(guī)機(jī)組能提供1 300MW的調(diào)峰容量,若按極端場景計算調(diào)峰容量,此時得到所需的調(diào)峰容量為3 035MW,按此結(jié)果系統(tǒng)只能提供所需調(diào)峰容量的42.8%,此時會出現(xiàn)大量棄風(fēng);按逆調(diào)峰特性最明顯的場景和場景1計算所需的調(diào)峰容量為1 309MW和1 311MW,此時系統(tǒng)可提供所需調(diào)峰容量的99.3%和99.2%,基本不會出現(xiàn)棄風(fēng);按場景2~場景5計算得出所需的調(diào)峰容量分別為1 283MW、1 256MW、1 240MW、1 210MW,系統(tǒng)能提供所需的調(diào)峰容量且不會棄風(fēng)。 從調(diào)峰容量的比較可以看出: ① 當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)容量較小(小于地區(qū)最大負(fù)荷的10%)時,此時按所有的場景計算得出的調(diào)峰容量相差較小,且按極端場景計算較為簡便,所以此時可利用極端場景計算調(diào)峰容量。 ② 在地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)容量較大(大于地區(qū)最大負(fù)荷的10%)時,按極端場景計算的調(diào)峰容量與其他場景的調(diào)峰容量相差很大,因此適合根據(jù)風(fēng)電出力和典型日負(fù)荷的相關(guān)性來選取典型場景計算調(diào)峰容量。 ③ 對于大規(guī)模風(fēng)電接入的地區(qū)電網(wǎng),其常規(guī)電源調(diào)峰能力有限,按極端場景計算的調(diào)峰容量明顯偏大,對調(diào)峰裕度的要求過高,常常因此造成低負(fù)荷時大量棄風(fēng)。而根據(jù)逆調(diào)峰特性最明顯的場景以及場景1~場景5計算的調(diào)峰容量相差較小,且各場景的風(fēng)電出力逆調(diào)峰特性基本相似,所以可直接利用逆調(diào)峰特性最明顯的場景來計算調(diào)峰容量。 在實際應(yīng)用中,按逆調(diào)峰特性最明顯的場景計算調(diào)峰容量較為簡便,且系統(tǒng)的調(diào)峰能力一般能滿足要求,因此選用逆調(diào)峰特性最明顯的場景進(jìn)行調(diào)峰容量的計算即可。 本文首先根據(jù)實測數(shù)據(jù)來分析單風(fēng)電場出力特性和地區(qū)風(fēng)電出力特性,再根據(jù)風(fēng)電出力與負(fù)荷的皮爾遜相關(guān)系數(shù)來分析風(fēng)電出力與負(fù)荷的相關(guān)性,研究地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)調(diào)峰容量的影響,得出的結(jié)論如下: ① 由單風(fēng)電場出力特性和地區(qū)風(fēng)電出力特性的分析可知,地區(qū)各個風(fēng)電場的出力之間有互補(bǔ)性,使得地區(qū)風(fēng)電出力比單風(fēng)電場出力的波動率小。 ② 含有多風(fēng)電場的地區(qū)風(fēng)電出力通常不會出現(xiàn)極端場景。以所選的地區(qū)為例,從給定的3 a數(shù)據(jù)來看,風(fēng)電出力與典型日負(fù)荷大多呈現(xiàn)正相關(guān)、中度或低度負(fù)相關(guān),呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)的可能性很小,其僅占總天數(shù)的5%,沒有出現(xiàn)過極端場景,風(fēng)電的逆調(diào)峰特性不明顯,因此選用極端場景進(jìn)行調(diào)峰計算,結(jié)果過于保守,造成備用容量過高。 ③ 在地區(qū)風(fēng)電容量較小(小于地區(qū)最大負(fù)荷的10%)時,無需通過風(fēng)電出力與負(fù)荷的相關(guān)性來分析風(fēng)電對調(diào)峰的影響,可直接利用極端場景計算調(diào)峰容量,結(jié)果略保守,但是更加合理。 [1] 林俐, 趙會龍,陳迎,等.風(fēng)電場建模研究綜述[J].現(xiàn)代電力,2014,31(2):1-10. 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State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University),Beijing 102206,China; 2 State Grid Henan Economic Research Institute, Zhengzhou 450052,China) 在地區(qū)性的大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)背景下,電網(wǎng)的調(diào)峰能力是制約風(fēng)電并網(wǎng)的一個很重要的因素。本文以某一實際地區(qū)電網(wǎng)一年的數(shù)據(jù)為例,計算風(fēng)電出力和典型日負(fù)荷的皮爾遜相關(guān)系數(shù),分析單風(fēng)電場出力和地區(qū)風(fēng)電出力的特性,在風(fēng)電出力特性分析的基礎(chǔ)上,計算分析不同風(fēng)電出力場景下的調(diào)峰容量,選取用于調(diào)峰容量計算的地區(qū)風(fēng)電典型出力特性。研究認(rèn)為當(dāng)?shù)貐^(qū)電網(wǎng)并網(wǎng)風(fēng)電容量較大時,考慮地區(qū)風(fēng)電出力與負(fù)荷的相關(guān)性,采用逆調(diào)峰特性最明顯的風(fēng)電出力場景計算調(diào)峰容量是更合理的方法。 風(fēng)電出力;皮爾遜相關(guān)系數(shù);風(fēng)電出力場景;調(diào)峰容量 On the background of regional power grid integrated with large-scale wind generation, the peak regulation capacity ability of power grid is an important factor to restrict the integrating of wind power. In this paper, annul data for a real regional power grid is taken as an example to calculate the Pearson correlation coefficient of wind power and typical daily load, and to analyze the characteristics of single wind farm and regional wind power. On the basis of analyzing the characteristics of wind power, peak regulation capacity under different wind power scene is calculated and analyzed, and typical characteristics of regional wind power for calculating peak regulation capacity is chosen. It is suggested from researches that the more reasonable method for calculating peak regulation capacity under the scene of wind power output with the most obvious inverse peak regulation characteristics is presented by considering the correlation of the regional wind power and daily load when there is bigger grid-connected wind power capacity of regional power grid. wind power; Pearson correlation coefficient; wind power scene; peak regulation capacity 1007-2322(2016)06-0021-06 A TM614 國家科技支撐計劃項目(2013BAA02B01);能源基金會(美國)項目(G-1403-20188) 2015-12-23 林 俐(1968—),女,副教授,研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、風(fēng)電并網(wǎng),E-mail:linli@ncepu.edu.cn; 周 鵬(1993—),男,碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制, E-mail:1067609495@qq.com; 王世謙(1988—),男,工程師,研究方向為電力系統(tǒng)分析、電網(wǎng)規(guī)劃,E-mail:wsq0204@163.cn; 田春箏(1982—),男,高級工程師,研究方向為電力系統(tǒng)分析、電網(wǎng)規(guī)劃, E-mail:tianchunzheng@ha.sgcc.com.cn。3 幾種風(fēng)電場景下計算的調(diào)峰容量與比較
4 結(jié)束語