摘 要:
基于當(dāng)下市場(chǎng)流行的125 kW PCS模塊,考慮電網(wǎng)阻抗因素,對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行模式下單個(gè)PCS和多機(jī)并聯(lián)的PCS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和阻抗分析,研究其在并網(wǎng)運(yùn)行模式下多機(jī)并聯(lián)諧振的抑制方法。從公共連接點(diǎn)分析多臺(tái)PCS并聯(lián)系統(tǒng)的系統(tǒng)側(cè)阻抗,并應(yīng)用疊加原理分析并網(wǎng)電流的變化,發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的線路阻抗與PCS相互耦合是引起系統(tǒng)諧振問題的關(guān)鍵。分析無源阻尼的諧波尖峰抑制,提出一種通過優(yōu)化電容電流采樣反饋環(huán)節(jié)來提供虛擬阻尼的有源阻尼控制策略。最后,通過Simulink仿真進(jìn)行驗(yàn)證分析,結(jié)果表明采用有源阻尼控制策略的125 kW PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下,總諧波畸變率(THD)從9.67%降至2.02%,并網(wǎng)電流諧振尖峰受到很好的抑制。
關(guān)鍵詞:
儲(chǔ)能變流器; 并網(wǎng)運(yùn)行; 多機(jī)并聯(lián); 諧振; 有源阻尼
中圖分類號(hào): TM46
文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào): 2095-8188(2024)11-0058-07
DOI:
10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.11.007
Multi-Machine Parallel Resonance Suppression Method of 125 kW PCS in Grid-Connected Operation Mode Based on Active Damping Control Strategy
WU Shichao1, LI Jing1, ZHENG Yanbo2
(1.College of Electrical and Electronic Engineering,Wenzhou University, Wenzhou 325035, China;
2.Zhejiang Chuangqi New Energy Technology Co.,Ltd., Jiaxing 314019, China)
Abstract:
Based on the popular 125 kW power conversion system (PCS) module in the current market,considering the grid impedance factor,the mathematical modeling and the impedance analysis of a single energy storage PCS and a multi-machine parallel PCS system in the grid-connected operation mode" are implemented.The suppression method of multi-machine parallel resonance in the grid-connected operation mode is studied.The system side impedance of multiple PCS parallel systems is analyzed from the point of common connection,and the change of grid-connected current is analyzed by superposition principle.It is found that the coupling between the line impedance of the power grid and PCS is the key to the resonance problem of the system.The harmonic peak suppression of passive damping is analyzed,and an active damping control strategy is proposed to provide virtual damping by optimizing the capacitor current sampling feedback link.Finally,the simulation is carried out by Simulink.The results show that the THD is reduced from 9.67 % to 2.02 % under the grid-connected operation mode of 125 kW PCS multi-machine parallel system with active damping control strategy,and the resonance peak of grid-connected current is well suppressed.
Key words:
power conversion system" (PCS); grid-connected operation; multi-machine parallel connection; resonance; active damping
0 引 言
隨著儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展,工商業(yè)儲(chǔ)能集成系統(tǒng)在向更大規(guī)模、更高能量密度方向發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)壽命、安全和收益提出了更高要求[1-2]。在此背景下,儲(chǔ)能變流器(PCS)的應(yīng)用逐漸從傳統(tǒng)的集中式配置轉(zhuǎn)向更為靈活的組串式配置[3]。這種轉(zhuǎn)變使得多臺(tái)PCS并聯(lián)成為構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效途徑,不僅提高整個(gè)電力系統(tǒng)的供電可靠性,而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)后續(xù)的維護(hù)提供便利[4-5]。然而,隨著并聯(lián)PCS數(shù)量的增加,特別是在并網(wǎng)運(yùn)行模式下,電網(wǎng)線路阻抗導(dǎo)致的PCS相互耦合、諧振問題尤為突出,對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)[6-7]。
PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下可能會(huì)引起低頻諧振、串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象主要受并聯(lián)PCS臺(tái)數(shù)、濾波器參數(shù)和電網(wǎng)阻抗的影響[8-9]。由于分布式新能源大量接入,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,隨著并聯(lián)PCS臺(tái)數(shù)的增加,PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)呈弱電網(wǎng)特性,引起低頻諧振[10]。一般來說,PCS包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)功率板和LCL型濾波器。LCL型濾波器的濾波效果優(yōu)于L型濾波器和LC濾波器,具有更優(yōu)的高頻諧波衰減性,濾波效果更佳,因此在逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[11-12]。但是多臺(tái)PCS并聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗被等效放大,可能會(huì)引起LCL型濾波器諧振點(diǎn)偏移,從而引起串聯(lián)諧振[13]。隨著多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)復(fù)雜程度越來越高,電網(wǎng)側(cè)的阻抗成為一個(gè)不可忽略的因素,因此非理想電網(wǎng)不能簡(jiǎn)單地視為一個(gè)理想電壓源[14-15]。對(duì)于PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng),電網(wǎng)阻抗的介入提升了耦合的復(fù)雜度,可能會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)諧振,提高阻抗匹配的難度[16]。
諧振問題會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,引起電壓和電流波形畸變,長期的諧振現(xiàn)象可能導(dǎo)致儲(chǔ)能變流器及其他相關(guān)設(shè)備過熱和損壞[17-18]。文獻(xiàn)[19-20]通過增設(shè)振蕩抑制裝置,如可控串聯(lián)補(bǔ)償器、靜止無功補(bǔ)償器等外設(shè)方面的優(yōu)化來抑制振蕩。文獻(xiàn)[21-22]通過優(yōu)化系統(tǒng)控制策略、改進(jìn)控制方法從軟件層面的優(yōu)化來進(jìn)行振蕩抑制。總的來說,無論是軟件層面還是硬件層面的振蕩抑制,都是通過系統(tǒng)阻抗匹配,消除系統(tǒng)耦合,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
構(gòu)網(wǎng)型PCS能夠自主設(shè)定電壓參數(shù),輸出穩(wěn)定的電壓與頻率,常用于孤島系統(tǒng)或弱電網(wǎng)系統(tǒng)。跟網(wǎng)型PCS在電網(wǎng)中的應(yīng)用更為廣泛,針對(duì)其并網(wǎng)諧波抑制的研究更為典型。本文針對(duì)125 kW PCS,提出一種通過優(yōu)化電容電流采樣反饋環(huán)節(jié)來提供虛擬阻尼的有源阻尼控制策略。該算法等效無源阻尼原理且無須增加硬件,減少額外損耗,并更為有效便捷地對(duì)125 kW多機(jī)并聯(lián)的PCS系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)諧振的抑制。最后,在Simulink仿真平臺(tái)建立3臺(tái)125 kW并聯(lián)運(yùn)行的跟網(wǎng)型PCS在并網(wǎng)運(yùn)行模式下的仿真模型,驗(yàn)證了該有源阻尼抑制策略的有效性。
1 125 kW PCS數(shù)學(xué)建模與分析
市場(chǎng)主流工商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)搭載的PCS通常為100 kW,但隨著大容量電芯在工商業(yè)儲(chǔ)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,125 kW PCS正在成為新的市場(chǎng)趨勢(shì)。這一變化主要是由于大容量電芯,特別是300 Ah以上的電芯在工商業(yè)儲(chǔ)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這些高容量電芯需要更高功率的PCS來匹配,因此125 kW PCS的需求日益增加。這也意味著125 kW PCS在技術(shù)迭代和產(chǎn)品形式等多個(gè)維度上進(jìn)行了創(chuàng)新,以適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)集成變化帶來的挑戰(zhàn)。本文以目前流行的125 kW PCS為研究主體,分別對(duì)單臺(tái)125 kW PCS和多臺(tái)PCS并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)建模與分析。
1.1 單臺(tái)125 kW PCS建模分析
本文建模分析采用125 kW、LCL型濾波器的單臺(tái)PCS,考慮并網(wǎng)側(cè)阻抗。單臺(tái)PCS并網(wǎng)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
在LCL型濾波器的單臺(tái)PCS并網(wǎng)系統(tǒng)中,當(dāng)電容C相對(duì)于電感L1和L2的值很小時(shí),可以近似地將其視為電感濾波器進(jìn)行控制。但是,隨著系統(tǒng)功率等級(jí)的提升,電容C值增大,電容的耦合項(xiàng)就變得不可忽略。這時(shí),就需要采用dq軸分量的全解耦控制策略,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。
在三相系統(tǒng)中,由于比例積分(PI)控制器在正弦量控制上存在固有的穩(wěn)態(tài)誤差,需要通過Park變換將三相交流電流轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下,即將三相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為2個(gè)直流系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)更精確的控制。
在dq軸分量的全解耦控制中,首先需要建立數(shù)學(xué)模型,并引入電容電流分量,從而有效補(bǔ)償系統(tǒng)中的電容電流,減少諧振現(xiàn)象,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于單臺(tái)PCS并網(wǎng)系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)阻抗對(duì)其影響極小,網(wǎng)側(cè)阻抗Zg先暫時(shí)忽略,Park變換后,dq軸分量表示為
Ud=L1dICddt+(L1+L2)dIddt+ ""ω(L1+L2)Iq+ωL1ICq+Ugd
Uq=L1dICqdt+(L1+L2)dIqdt-
ω(L1+L2)Id-ωL1ICd+Ugq(1)
式中: Ud、Uq——逆變器輸出電壓的d軸、q軸分量;
Id、Iq——并網(wǎng)電流的d軸、q軸分量;
ICd、ICq——電容電流的d軸、q軸分量;
Ugd、Ugq——并網(wǎng)電壓的d軸、q軸分量;
ω——電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)角頻率。
由于各相差異不大且三相負(fù)載對(duì)稱,僅電流、電壓相角相差120°,為了便于后續(xù)的阻抗分析,可以從單相的角度進(jìn)行PCS并網(wǎng)運(yùn)行分析,建立單相PCS并網(wǎng)等效圖,從而降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性,單相PCS并網(wǎng)等效LCL型濾波電路如圖2所示。
根據(jù)式(1)提取dq分量的耦合項(xiàng),為實(shí)現(xiàn)解耦控制,可以用PI控制器處理微分項(xiàng),再通過加減運(yùn)算,分別補(bǔ)償d軸和q軸方程中的耦合項(xiàng),從而實(shí)現(xiàn)dq軸分量的全解耦,使得d軸電流和q軸電流可以獨(dú)立控制。解耦之后,對(duì)于單臺(tái)PCS并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可以分析單相PCS并網(wǎng)等效LCL型濾波電路的傳遞函數(shù),并通過Bode圖進(jìn)行分析。
由圖2可知,輸入電壓U與輸出電流I的傳遞函數(shù)G的表達(dá)式為
G=IU=1L1L2Cs3+(L1+L2)s(2)
代入L1、L2和C的具體數(shù)值并作出其Bode圖。單相PCS并網(wǎng)系統(tǒng)諧振特性Bode圖如圖3所示。
由圖3可知,電感量相同的LCL型濾波器與L型濾波器相比,LCL型濾波器在高頻下更容易出現(xiàn)諧振,高頻增益衰減更為迅速,對(duì)高次諧波的抑制有明顯優(yōu)勢(shì)。但因固有的諧振特征會(huì)存在一個(gè)諧振尖峰,存在引起系統(tǒng)失穩(wěn)等安全隱患,需要對(duì)這諧振尖峰進(jìn)行抑制處理。
1.2 多臺(tái)125 kW PCS并聯(lián)建模分析
在PCS多機(jī)并聯(lián)并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中,多臺(tái)PCS通過公共連接點(diǎn)(PCC)連接,電網(wǎng)阻抗和PCS內(nèi)部參數(shù)共同作用導(dǎo)致的耦合效應(yīng)會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,甚至?xí)鸩⒕W(wǎng)諧振。為了分析這種耦合效應(yīng),可以從PCC出發(fā)建立PCS多機(jī)并聯(lián)等效數(shù)學(xué)模型,并使用疊加定理求解并網(wǎng)電流IPCC的表達(dá)式。
例如,有n臺(tái)PCS并聯(lián)運(yùn)行,第i臺(tái)PCS的輸出電流可以表示為IPCCi。如果忽略電網(wǎng)阻抗,那么PCC點(diǎn)的總電流IPCC可以表示為
IPCC=∑niIPCCi(3)
然而,考慮到電網(wǎng)阻抗Zg的存在,需要修改上述表達(dá)式來包含電網(wǎng)阻抗對(duì)電流的影響。這可以通過引入一個(gè)與電網(wǎng)阻抗相關(guān)的修正系數(shù)k實(shí)現(xiàn),得到修正后的并網(wǎng)電流表達(dá)式為
IPCC=k∑niIPCCi(4)
考慮并網(wǎng)阻抗,PCS多機(jī)并聯(lián)并網(wǎng)運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。
PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下,PCS內(nèi)部參數(shù)和電網(wǎng)阻抗共同作用導(dǎo)致的耦合效應(yīng)可能會(huì)引起并網(wǎng)諧振,故在多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)中電網(wǎng)阻抗Zg不能忽略??紤]電網(wǎng)阻抗Zg中電阻Rg和電感分量Lg,為了分析PCS多機(jī)并聯(lián)并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要通過Park變換在dq坐標(biāo)系下分析PCC處電壓UPCC和電網(wǎng)電壓Ug之間的耦合關(guān)系,表達(dá)式為
UPCCd=RgId+LgdIddt+ωLgIq+Ugd
UPCCq=RgIq+LgdIqdt-ωLgId+Ugq(5)
一般的儲(chǔ)能系統(tǒng)僅發(fā)出或吸收有功功率,因此可以將Iq視為0,忽略其對(duì)系統(tǒng)的影響,從而簡(jiǎn)化控制策略。式(5)中,UPCCd和UPCCq的值基本不受q軸分量的影響,但UPCCq受Id的影響較大,可以在dq軸控制框圖中令其等于0,從而消除耦合,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PCS控制策略框圖如圖5所示。
2 阻尼控制策略對(duì)比研究
PCS并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波抑制,通常涉及使用阻抗匹配和阻尼控制策略來增加系統(tǒng)阻尼,從而降低電流中的諧波含量并抑制系統(tǒng)諧振。
無源阻尼法作為現(xiàn)如今抑制諧振的主要方法之一,被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。無源阻尼法是通過在系統(tǒng)中添加實(shí)際的阻尼電阻來抑制諧振,以實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的直接閉環(huán)控制,通常是在LCL型濾波器的電感電容上串并聯(lián)電阻來進(jìn)行抑制。但因無源阻尼法會(huì)引起功率損耗、成本增加、體積增大等,其仍存在一定的缺點(diǎn)。
有源阻尼法是通過采集電容上的電流來抑制有關(guān)諧振,故不存在功率損耗、成本增加等缺點(diǎn),是在控制上加以算法,進(jìn)而抑制有關(guān)諧振。這種方法簡(jiǎn)潔高效,無須微分環(huán)節(jié)或高通濾波環(huán)節(jié),因此參數(shù)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單,系統(tǒng)更容易穩(wěn)定。
2.1 無源阻尼控制
無源阻尼控制一般需要添加阻抗元件來提供額外的阻尼,如在濾波電容上并聯(lián)阻抗支路。如果在電容支路并聯(lián)1個(gè)阻抗支路,則可以增大系統(tǒng)阻尼,有效抑制諧振尖峰。無源阻尼策略結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。
此時(shí)求得輸入電壓U與輸出電流I的傳遞函數(shù)G,表達(dá)式為
G=IU=1L1L2Cs3+L1L2Rs2+(L1+L2)s(6)
代入L1、L2和C具體數(shù)值并作出其Bode圖。采用無源阻尼策略的系統(tǒng)諧振特性Bode圖如圖7所示。
從圖7可以得出,與LCL型濾波器的諧振尖峰相比,通過無源阻尼法進(jìn)行阻抗匹配,在濾波支路中添加主動(dòng)阻抗R,使得諧波尖峰得到了很好的抑制。然而該方法雖然可以抑制諧振,但通過物理方式添加額外的并聯(lián)阻抗會(huì)明顯增加功耗。
2.2 有源阻尼控制
雖然無源阻尼法通過并聯(lián)電阻能夠增大系統(tǒng)阻尼并提高穩(wěn)定性,但會(huì)產(chǎn)生功率損耗。本文對(duì)無源阻尼法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),提出了一種無須改變硬件即可增加系統(tǒng)阻尼的方法,通過采樣電容電流并利用反饋環(huán)節(jié)等效實(shí)現(xiàn)阻尼的增加,從而達(dá)到抑制諧波的效果。
通過采樣電容電流改進(jìn)后的有源阻尼策略控制框圖如圖8所示。該控制策略采樣有電網(wǎng)電壓Ug、公共耦合點(diǎn)電流Ipcc、電容電流Ic、儲(chǔ)能側(cè)電壓Udc。
該控制策略對(duì)諧振尖峰的抑制機(jī)制與無源阻尼相似,主要通過采樣電容電流,并利用等效環(huán)節(jié)GC(s)增加系統(tǒng)的虛擬阻尼,從而有效抑制諧振尖峰。通過優(yōu)化等效環(huán)節(jié),該方法比無源阻尼法具有更好的諧振抑制效果。
采用有源阻尼策略系統(tǒng)諧振特性Bode圖如圖9所示。通過分析該Bode圖在不同頻率下的增益和相位特性,可以得出諧振尖峰得到了很好的抑制。
3 125 kW PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)諧振抑制仿真分析
為了驗(yàn)證優(yōu)化后的有源阻尼控制算法對(duì)PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的諧振抑制效果,通過Simulink進(jìn)行125 kW跟網(wǎng)型PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下仿真建模??紤]電網(wǎng)阻抗的情況下,125 kW PCS仿真參數(shù)如表1所示。
Simulink仿真分析中采用的是3臺(tái)125 kW跟網(wǎng)型PCS進(jìn)行并聯(lián),從前面的理論分析可以得知,多機(jī)并聯(lián)的阻抗匹配問題更易產(chǎn)生諧振。通過諾頓等效定理分析PCC處的并網(wǎng)電流,可以通過采樣和分析并網(wǎng)電流來體現(xiàn)PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。引入有源阻尼前的并網(wǎng)電流波形如圖10所示;引入有源阻尼后的并網(wǎng)電流波形如圖11所示。通過對(duì)比圖10、圖11可知,引入有源阻尼控制后,電流諧振得到了顯著抑制。
對(duì)引入有源阻尼前后的并網(wǎng)電流進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析。有源阻尼抑制前并網(wǎng)電流FTT圖如圖12所示;有源阻尼抑制后并網(wǎng)電流FTT圖如圖13所示。由圖12和圖13可知,引入有源阻尼控制之前,PCC處電流的總諧波畸變率
(THD)為9.67%;引入有源阻尼控制之后,PCC處電流的THD降至2.02%,符合并網(wǎng)電流諧波標(biāo)準(zhǔn)。這一改善表明,優(yōu)化后的控制策略在電能質(zhì)量THD方面提升了近5倍,對(duì)并網(wǎng)電流的諧波抑制有顯著效果。
4 結(jié) 語
本文針對(duì)PCS在并網(wǎng)運(yùn)行模式下多機(jī)并聯(lián)的諧振問題展開研究,建立125 kW PCS單機(jī)并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型和多機(jī)并聯(lián)數(shù)學(xué)模型,并對(duì)PCS多機(jī)并聯(lián)并網(wǎng)運(yùn)行諧振產(chǎn)生的因素進(jìn)行分析。在無源阻尼諧波尖峰抑制的基礎(chǔ)上,提出一種通過優(yōu)化電容電流采樣反饋環(huán)節(jié)來提供虛擬阻尼的有源阻尼控制策略。在Simulink中搭建125 kW PCS多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的諧振抑制仿真模型并進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)論如下:
(1) 通過Bode圖分析發(fā)現(xiàn),LCL型濾波器由于自身特性會(huì)產(chǎn)生一個(gè)諧振尖峰,這一現(xiàn)象是導(dǎo)致并網(wǎng)諧振的重要原因。
(2) 通過對(duì)無源阻尼控制策略的研究分析,確定其抑制諧波尖峰的有效性,但并聯(lián)的實(shí)體阻抗會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗。
(3) 所提出的優(yōu)化電容電流采樣反饋環(huán)節(jié)來提供虛擬阻尼的有源阻尼抑制策略對(duì)并網(wǎng)電流諧波尖峰起到有效抑制,THD提升接近5倍。
隨著未來儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展,工商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中會(huì)存在多種不同功率和內(nèi)阻抗的PCS。未來需要進(jìn)一步針對(duì)不同廠商、不同功率的PCS進(jìn)行多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的并網(wǎng)諧振研究,研究其多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定性及其控制策略,以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。
【參 考 文 獻(xiàn)】
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收稿日期: 2024-09-05
吳世超(2000—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)閮?chǔ)能變流器電能質(zhì)量分析。
李 靖(1967—),男,教授,博士,研究方向?yàn)閮?chǔ)能變流器技術(shù)。
鄭燕波(1983—),男,高級(jí)工程師,主要從事儲(chǔ)能變流器研發(fā)工作。
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