CN101432188A - 运行具有废热回收的船舶驱动系统的方法以及具有废热回收的船舶驱动系统 - Google Patents

运行具有废热回收的船舶驱动系统的方法以及具有废热回收的船舶驱动系统 Download PDF

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Abstract

按照本发明，由此避免在通过废热回收系统(20)产生能量不可预见地故障时可能导致电网故障直到船舶停电的问题，即在轴发电机/发动机(11)处于发动机运行且通过废热回收系统(20)产生能量发生故障时，使轴发电机/发动机(11)从发动机运行转换到发电机运行，其中在转换时间期间，能量源(17，52)这样将电能馈送到船舶电网(5)里面，使得船舶电网(5)的电压和频率都不低于给定的极限值。

Description

运行具有废热回收的船舶驱动系统的方法以及具有废热回收的船舶驱动系统
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于使具有废热回收的船舶驱动系统运行的方法以及如权利要求8前序部分所述的具有废热回收的船舶驱动系统；例如由在2004年4月28/29日在伦敦Green Ship会议上发表的公开文献“Less emission through waste heat recovery(通过废热回收降低排放)”，Waertsilae公司，2004年4月中已知这种船舶驱动系统。
背景技术
用于大型货船、例如集装箱船的驱动系统通常包括缓慢运行的二冲程柴油发电机形式的主机，用于产生驱动轴装置、例如螺旋桨轴的机械能，主机与船螺旋桨耦联。这种发动机的驱动功率从约10MW开始到目前的超过70MW。
船舶甲板上的消耗器一般由船舶电网提供由发电机产生的电能，发电机由比主机更快运转的辅机、一般是快速运转的四冲程柴油发动机驱动。
近年来燃料价格的提高、期望更低的排放和更低的运行成本对于利用主机废热回收能量产生极大兴趣。尤其在主机的废气和冷却剂中存在废热。
在由上述的文献已知的船舶驱动系统中废热回收系统由主机废热产生电能并将电能馈送到电网。通过逆变器(Umrichter)与电网连接的轴发动机/发动机与轴装置耦联并且在发动机运行中将电网的电能转换成驱动轴装置的机械能并且在发电机运行中将轴装置的机械能转换成船舶电网的附加电能。
只要废热回收系统将能量馈送到船舶电网里面，通过功率管理系统使用于驱动发电机的辅机卸载或者在优选的情况下甚至断开。附加地可以通过轴发电机/发动机在发电机运行中使电能馈送到船舶电网并由此还进一步降低辅机的功率需求。通过这些措施可以明显地降低燃料和运行成本以及辅机的排放。
首要目的是，尽可能将所有的由废热回收系统提供的电能馈送到船舶电网里面。如果废热回收系统甚至产生比船舶消耗器所需更多的能量，则可以通过这种能量盈余在发动机运行中驱动轴发电机/发动机并由此将附加的驱动力给到螺旋桨轴。因此在这种运行情况下废热回收系统只将电能馈送到船舶电网里面，而断开辅机。
在通过废热回收系统产生能量不可预见地故障时通常持续一段时间，直到通过顶置的功率管理系统起动辅机并且由此驱动的发电机产生船舶电网的电能。因此通过废热回收系统产生的能量可能导致电网电压和电网频率中断并由此导致船舶消耗器安全断路直到导致船舶电网完全停电，即，断开船舶消耗器的运行。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于使上述形式的船舶驱动系统运行的方法和船舶驱动系统，通过它们可以避免在通过废热回收系统产生能量发生故障时的电网故障，尤其是船舶停电。
通过如权利要求1所述的方法实现针对方法的目的；从属权利要求2至7的内容是本方法的有利扩展方案。通过如权利要求8所述的船舶驱动系统实现针对船舶驱动系统的目的；从属权利要求9至14的内容是船舶驱动系统的有利扩展方案。
按照本发明的方法规定，在轴发电机/发动机处于发动机运行且通过废热回收系统产生能量发生故障时，使轴发电机/发动机从发动机运行转换到发电机运行，其中在转换时间期间，能量源这样将电能馈送到船舶电网里面，使得船舶电网的电压和频率都不低于给定的极限值。
通过适当地选择船舶电网的电压和频率的极限值可以避免电网故障。尤其是可以有针对性地在通过废热回收系统产生能量发生故障时，保证对于船舶甲板上的船舶运行必要的消耗器的功能运行，并由此避免船舶停电。
按照本发明方法的有利扩展方案，作为逆变器使用直流中间回路逆变器(Gleichstrom-Zwischenkreisumrichter)，而作为能量源使用用于船舶电网的旋转的无功功率机。因此，在这种逆变器的情况下产生无功功率本来就必需的无功功率机，就在通过废热回收系统产生能量发生故障时被用于支持船舶电网。因此避免对于其它附加能量源的附加空间需求。
按照本发明方法的可选择扩展方案，作为逆变器使用直流电压中间回路逆变器(Gleichspannung-Zwischenkreis-Umrichter)，而作为能量源使用这个逆变器的直流电压中间回路的中间回路电容器。在这里对于逆变器运行、尤其是对于其无功功率输出本来就必需的并因此已经存在的中间回路电容器，在废热回收系统产生能量发生故障时也被用于支持船舶电网。因此避免对于其它附加能量源的附加空间需求。
所述逆变器具有电网侧的和发动机侧的变流器(Stromrichter)，它们分别具有可控的变流器阀，并且通过改变变流器阀的接通持续时间实现轴发电机/发动机从发动机运行到发电机运行的转换，由此能够特别迅速地使轴发电机/发动机从发动机运行转换到发电机运行。
此外如果由废热回收系统在绕过软件控制的功率管理系统的情况下触发所述转换，可以特别迅速地实现轴发电机/发动机从发动机运行到发电机运行的转换。
在通过废热回收系统产生能量发生故障时，断开连接在船舶电网上的对于船舶运行非必要的电消耗器，由此可以使能量源的尺度在转换期间馈送的能量方面并由此在其空间需求方面保持较小。
按照本发明的一种具有废热回收的船舶驱动系统，尤其用于执行按照本发明的方法，包括
-控制和调节系统，用于在通过废热回收系统产生能量发生故障时使轴发电机/发动机从发动机运行转换到发电机运行，以及
-能量源，通过该能量源，在从发动机运行转换到发电机运行期间使电能馈送到船舶电网，其中使从发动机运行转换到发电机运行的时间与能量源的尺度在所述转换时间内馈送到船舶电网里面的能量方面这样相互协调，从而基于在转换期间馈送到船舶电网里面的能量，使船舶电网的电压和频率都不低于给定的极限值。
对于按照本发明的方法所述的优点相应地适用于按照本发明的船舶驱动系统。
附图说明
下面借助于附图中的实施例详细描述本发明以及按照从属权利要求特征的本发明的其它有利扩展方案。附图中：
图1以原理框图示出按照本发明的第一有利扩展方案的船舶驱动系统，
图2示出图1中控制和调节系统的结构示例，
图3示出使轴发电机/发动机从发动机运行转换到发电机运行的示例，
图4以原理框图示出按照本发明的第二有利扩展方案的船舶驱动系统。
具体实施方式
在图1中极大简化示出用于大型集装箱船的具有废热回收系统的船舶驱动系统1，其具有由缓慢运转的二冲程柴油发动机构成的主机2，它在螺旋桨轴3上具有用于驱动船舶的船舶螺旋桨4。
船舶电网5用于对船载的电气设备和系统供电。在此区分成必要消耗器与非必要的消耗器(如旅店负载)，必要消耗器的断开导致船舶甲板上停电，非必要的消耗器不导致停电。为了清晰在图1中分别只示出唯一的必要消耗器6和唯一的非必要消耗器7，在实践中大量的这种消耗器6、7分别由船舶电网5供电。
为了对于船舶电网5产生能量设有多个发电机8，它们分别由比主机更快运转的辅机9驱动。辅机9一般是快速运转的四冲程柴油发动机，具有例如直到5MW的功率。各一个发电机8和一个柴油发动机9通常组成柴油发电机组10。
轴发电机/发动机11在机械上与螺旋桨轴3耦联并且通过逆变器12和变压器35与船舶电网5电连接。逆变器12由直流中间回路逆变器构成，并且由发动机侧的变流器13和电网侧的变流器14组成。
轴发电机/发动机11由缓慢运转的同步电机构成，并且优选没有中间传动机构直接作用于螺旋桨轴上。但是轴发电机/发动机11也可以通过传动机构耦联在螺旋桨轴3上或者与主机2的曲轴耦联，确切地说在远离螺旋桨轴3的端部。
用于轴发电机/发动机11的激励电流IE同样由船舶电网5引出并且通过激励变流器15控制和调节。
通过控制和调节流过逆变器12的电能流和激励电流，可以使轴发电机/发动机11或者作为发动机，或者作为发电机运行。在发动机运行中，来自船舶电网5的电能转换成用于驱动船舶螺旋桨4的机械能。因此可以使船舶电网5中的功率储备用于加大船舶的驱动功率，由此或者提高船速或者在保持相同船速的同时使主机2卸载。在发电机运行中，使螺旋桨轴3的机械能转换成用于船舶电网的5的电能。由此可以使主机2的功率储备用于产生用于船舶电网5的能量。为此优选使轴发电机/发动机11的额定功率至少为主机2额定功率的5％。
通过共用的、优选以数字技术构成的控制和调节系统16来实现通过逆变器12和激励变流器15对轴发电机/发动机的控制和调节。在此通过控制和调节系统16相互独立地对变流器13、变流器14和激励变流器15进行控制和调节。
为此使控制和调节系统16通过未示出的测量装置获得轴发电机/发动机的转速、发动机电压UM、发动机频率fM、中间回路电流Id、电网电压UN和电网频率fN。
因为直流中间回路逆变器只能将有功功率馈送到船舶电网5里面，因此船舶电网5的无功功率需求由由构造成同步发电机的无功功率机17满足。无功功率机17在正常运行中只作为移相器工作，并且不馈送有功功率到电网5里面。起动逆变器18和起动电机19用于起动无功功率机17。同样通过控制和调节系统16实现对起动逆变器18的控制。
废热回收系统20附加地将主机2的热量转换成用于船舶电网5的电能。为此使来自主机2废气的热量通过热交换器21传递到未示出的蒸汽回路，在该蒸汽回路中连接蒸汽涡轮机22，该蒸汽涡轮机与涡轮发电机23耦联。一部分废气在输送到热交换器21之前还输送到功率涡轮机24，该功率涡轮机同样与涡轮发电机23耦联。由涡轮发电机23产生的电能馈入到船舶电网5里面。
软件控制的功率管理系统30负责对于不同的消耗器提供满足需要的电能，并且根据要求和可用的功率通过开关31、32、33使单个消耗器6、7、柴油发电机组10、涡轮发电机23或轴发电机/发动机11接通或断开船舶电网5。功率管理系统30为此通过控制导线34或其它通讯连接与开关31、32、33、柴油发电机机组10、控制和调节系统16以及废热回收系统20的未示出的控制和调节系统相连接。
在船舶驱动系统1运行时首要目的是，使整个由废热回收系统20提供的电能馈送到船舶电网5里面。只要涡轮发电机23将能量馈送到船舶电网里面，就通过功率管理系统使柴油发电机组10卸载，如果可能，甚至断开。通过这些措施可以明显减少燃料和运行成本以及柴油发电机组10的排放。
如果废热回收系统20甚至产生多于船舶消耗器6、7所需的能量，则通过这个能量盈余使轴发电机/发动机11在发动机运行中运行，并由此将附加的驱动力给到螺旋桨轴3。因此在这个运行情况下只是废热回收系统20馈送电能到船舶电网里面；而柴油发电机组10断开。
但是通过废热回收系统20产生能量的发生意外故障，例如在事故的情况下，可能导致船舶电网20的电压和频率中断，伴随着必要和非必要消耗器的安全断路，并由此导致船舶停电，因为这会持续几秒钟，直到柴油发电机组10起动并对于船舶电网5提供电能。为了避免这一点，使轴发电机/发动机在产生事故信号后短于1秒钟的时间内从发动机运行转换到发电机运行。在转换时间期间，使电网5的能量需求由无功功率机18的旋转动能提供。这在短时间承担必要消耗器的供电并为此馈送能量到船舶电网5中，而且这样馈送，使船舶电网5的电压和频率不低于给定的极限值。在此这样选择极限值，使得要避免必要船舶消耗器6的安全断路，否则它可能导致船舶停电。为此使转换时间与无功功率机在转换时间期间的能量输出能力相互协调。此外对于短于1秒钟的转换时间，目前经常使用的具有4-7MVA功率的无功功率机的能量储存和输出能力是足够的，因此无需为了在转换时间期间馈送能量而有目的地使设计尺度过大。
如果涡轮发电机23可以覆盖船舶电网5和不同变流器的无功功率需求，则无需无功功率机17运行并且可以断开它。但是在涡轮发电机23故障时，也不能使无功功率机的旋转动能供支持船舶电网5使用。因此无功功率机17在通过涡轮发电机产生能量时也继续运行。
一方面可以由此实现短的转换时间，即废热回收系统20直接通过导线连接36，即在绕过软件控制的功率管理系统30的情况下，给控制和调节系统16发送事故信号。由此可以避免通过功率管理系统的软件引起的信号传递延迟。
为此使控制和调节系统16具有信号输入端，它通过导线连接36、即，通过“硬”布线直接与废热回收系统20的用于事故触发的信号传感器连接。在实施例中，信号传感器是开关32的未示出的无电位辅助触点，该开关在故障时打开，用于使涡轮发电机23与电网5分开。
此外可以实现这种短的转换时间，即在由发动机运行转换到发电机运行时没有脉冲断开地、即，仅仅通过改变接通时刻以及由此的变流器阀的接通持续时间来实现变流器13、14和激励变流器15的控制。在此在使用晶闸管作为变流器阀时，一般只通过所谓的控制角α控制接通时刻。在使用GTO、IGBT或IGCT时，不仅可以控制接通时刻，而且可以控制断开时刻。
变流器阀没有脉冲断开的这种控制由此实现，即控制和调节系统16通过逆变器12和变流器15，在发动机运行和发电机运行中通过相同的调节方式调节轴发电机/发动机。由此可以避免在从发动机运行到发电机运行过渡时的断开脉冲和由此伴随而来的延迟，例如对发动机和发电机运行采用不同调节方式所必然的那样。
有利地使轴发电机/发动机不仅在发动机运行中、而且在发电机运行中调节转矩，并由此与接收或给出的电功率成比例，因为转速相对缓慢地变化。按照图2，控制和调节系统16一方面具有用于在发电机运行中产生转矩理论值MG的调节元件41，另一方面具有用于对于发动机运行产生转矩理论值MM的调节元件42，其中通过转换43保证，两个理论值中的只一个理论值在发电机运行和发动机运行中连接到后继的控制元件44上用于控制逆变器12和15。调节元件41、42、转换43和控制元件44优选由功能组件在软件中实现。
下面参照图3对于在变流器13、14、15中使用晶闸管作为变流器阀的情况解释从发动机运行转换到发电机运行。在此通过相应控制角来控制变流器13、14和15的变流器阀的接通持续时间并由此控制从发动机运行转换到发电机运行。通过晶闸管的电流取决于其触发时刻。控制角表明上述触发时刻相对于在电压过零点时的触发偏移了多大的程度。通过控制控制角可以控制通过变流器的电流并因此控制变流器输出侧上的电流和电压。
图3示出信号导线36上的事故信号S、船舶电网5的功率需求PN、逆变器12的电网侧的功率接收/输出PM、发动机侧的变流器13的控制角αM、电网侧的变流器14的控制角αN和激励电流IE随时间的变化。
在时刻t1，事故信号S通过跃变到值S0发出废热回收系统20事故信号。由此一方面在绕过功率管理系统30的情况下，通过断开非必要消耗器7降低船舶电网5的功率需求PN。另一方面控制和调节系统16使轴发电机/发动机11在短于1秒钟以内从发动机运行转换到发电机运行。为此在第一步骤中这样控制电网侧的变流器14，使得尽可能迅速地中断从电网5到变流器14的电流，并由此也使对船舶电网5的电功率需求进一步下降。
为此用于发动机运行的调节元件42使转矩理论值MM瞬时下降到零，由此使用于控制变流器14的阀的控制角αN从其初始值α1加大到值α2。
总体上通过这些措施使船舶电网的功率需求PN下降到值PNmin。此外使电网频率的瞬时值作为对于以后的发电运行的理论值存储在控制和调节系统16里面。
如果轴发电机/发动机11在发动机运行中已经在场减弱范围中运行，在下一步骤中这样控制激励变流器15，使得通过激励电流IE使发动机电压UM这样多地降低，使得避免逆变器12的晶闸管的换流器跳闸的危险。这一点通过改变激励变流器15的晶闸管的控制角αIE实现。
轴发电机/发动机11的激励降低到对于发电机运行所争取的值所需的时间可以由此减小，即控制激励变流器15，使激励电流IE首先下降到小于实际上对于发电机运行所争取的值，并且接着提高到所述所争取的值。已经证实特别有利的是，如同在实施例的情况中那样，使激励电流首先下降到0.6*IEmax，并接着提高到0.8*IEmax。
如果轴发电机/发动机11在发动机运行中已经不在场减弱范围中运行，发动机电压UM已经足够地小，用于避免在逆变器12中的换流器跳闸。
在下一步骤中，在时刻t2通过控制和调节系统16这样控制发动机侧的变流器13，使能量流方向通过变流器13反向，即，变流器13接收轴发电机/发动机11的能量，转换成直流并且输送到直流中间回路37。这一点通过使用于控制变流器14的阀的控制角αM从其初始值αM1变小到值αM2实现。轴发电机现在从发动机的运行转换到发电机运行。
在下一步骤中，在时刻t3通过控制和调节系统16这样控制电网侧的变流器14，使得它使输送到变流器13的直流中间回路37的能量转换成具有船舶电网5频率的电流并且馈送到电网5里面。这一点由此实现，使用于控制变流器14的阀的控制角αN从值αN2减小到值αN3。
现在逆变器12将具有取决于主机2转速的频率并因此与船舶电网5不同频率的发动机侧电流转换成具有船舶电网5频率的电流。在此电网电压的频率由控制和调节系统16调节到在开始转换前其在船舶电网5中的瞬时值。
在转换到发电机运行时间期间由船舶电网5必需的能量E由无功功率机18馈送，因此船舶电网5的频率和电压都不低于给定的极限值，这样选择极限值，使得可靠地避免必要消耗器7的安全断路。
代替直流中间回路逆变器12也可以使用直流电压中间回路逆变器。在这种情况下，使船舶电网5的无功功率需求通过直流电压中间回路逆变器的中间回路电容器满足，因此无需单独的无功功率机。
为此图4示出船舶驱动系统50，它相当于图1的船舶驱动系统1，例外是，直流中间回路逆变器通过直流电压中间回路逆变器51替换并且省去无功功率机。
在从发动机运行转换到发电机运行期间，中间回路电容器52这样馈送电能到船舶电网里面，使船舶电网5的电压和频率都不低于给定的极限值。为此使从发动机运行转换到发电机运行的时间以及中间回路电容器52的尺度在转换时间中馈送到船舶电网5中的能量方面相互协调。
在所述的具有晶闸管-变流器阀的变流器和其通过控制角α控制的情况下，转换时间t3-t1达到短于1秒钟。
如果不仅在接通方面，而且在断开方面使用可控的变流器阀，例如IGBT-变流器阀，可以代替通过控制角，而通过脉冲图形实现其控制(PWM调制)。在这种情况下，在电网侧的变流器中实现电网电流的截止，它使能量方向在发动机侧的变流器中反向，并且通过电网侧的变流器分别通过改变变流器的脉冲图形使能量馈送到具有电网电压和电网频率的船舶电网里面。由此甚至能够实现100ms范围内的转换时间。

Claims (14)

1.一种用于通过废热回收使船舶驱动系统(1，50)运行的方法，包括
-主机(2)，该主机驱动与船舶螺旋桨(4)耦联的轴装置(3)，
-废热回收系统(20)，该废热回收系统由主机(2)的废热产生电能并馈送到船舶电网(5)中，
-通过逆变器(12)与电网(5)连接的轴发电机/发动机(11)，该轴发电机/发动机与轴装置(3)耦联，并且该轴发电机/发动机在发动机运行中将来自船舶电网(5)的电能转换成用于驱动轴装置(3)的机械能，并且在发电机运行中将轴装置(3)的机械能转换成用于船舶电网(5)的电能，其特征在于，在轴发电机/发动机(11)处于发动机运行且通过废热回收系统(20)产生能量发生故障时，使轴发电机/发动机(11)从发动机运行转换到发电机运行，其中在转换时间期间，能量源(17，52)这样将电能馈送到船舶电网(5)里面，使得船舶电网(5)的电压和频率都不低于给定的极限值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用直流中间回路逆变器(12)作为逆变器，使用用以产生用于船舶电网(5)的无功功率的旋转无功功率机(17)作为能量源。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用直流电压中间回路逆变器(51)作为逆变器，使用直流电压中间回路的中间回路电容器(52)作为能量源。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述逆变器(12，51)具有电网侧的和发动机侧的变流器(13，14)，所述变流器分别具有可控的变流器阀，并且通过改变变流器阀的接通持续时间实现轴发电机/发动机(11)从发动机运行到发电机运行的转换。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由废热回收系统(20)在绕过软件控制的功率管理系统(30)的情况下触发轴发电机/发动机(11)从发动机运行到发电机运行的转换。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在通过废热回收系统(20)产生能量发生故障时，断开连接在船舶电网(5)上的对于船舶运行非必要的电消耗器(6)。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述轴发电机/发动机(11)在短于1秒的时间内从发动机运行转换到发电机运行。
8.一种具有废热回收的船舶驱动系统(1)，包括
-主机(2)，该主机驱动与船舶螺旋桨(4)耦联的轴装置(3)，
-废热回收系统(20)，用于由主机(2)的废热产生用于船舶电网(5)的电能，
-通过逆变器(12)与电网(5)电连接的轴发电机/发动机(11)，该轴发电机/发动机与轴装置(3)耦联，并且通过该轴发电机/发动机，在发动机运行中将来自船舶电网(5)的电能转换成用于驱动轴装置(3)的机械能，并在发电机运行中将轴装置(3)的机械能转换成用于船舶电网(5)的电能，其特征在于
-控制和调节系统(16)，用于在通过废热回收系统(20)产生能量发生故障时，使轴发电机/发动机(11)从发动机运行转换到发电机运行，以及
-能量源(17，52)，通过该能量源，在从发动机运行转换到发电机运行期间使电能(E)馈送到船舶电网(5)中，其中从发动机运行转换到发电机运行所需的时间与能量源(17，52)的尺度在转换时间内馈送到船舶电网(5)里面的能量方面这样相互协调，从而基于在转换期间馈送到船舶电网(5)里面的能量，使船舶电网(5)的电压和频率都不低于给定的极限值。
9.如权利要求8所述的船舶驱动系统，其特征在于，所述逆变器由直流中间回路逆变器(12)构成，所述能量源是用以产生用于船舶电网(5)的无功功率的旋转无功功率机(17)。
10.如权利要求8所述的船舶驱动系统，其特征在于，所述逆变器由直流电压中间回路逆变器(51)构成，并且所述能量源是直流电压中间回路的中间回路电容器(52)。
11.如权利要求8至10中任一项所述的船舶驱动系统，其特征在于，所述逆变器(12，51)具有电网侧的和发动机侧的变流器(13，14)，所述变流器分别具有可控的变流器阀，并且控制和调节系统(16)通过改变变流器阀的接通持续时间来实现轴发电机/发动机(11)从发动机运行到发电机运行的转换。
12.如权利要求8至11中任一项所述的船舶驱动系统，其特征在于，由废热回收系统(20)在绕过船舶电网(5)的软件控制的功率管理系统(30)的情况下触发轴发电机/发动机(11)从发动机运行到发电机运行的转换。
13.如权利要求8至12中任一项所述的船舶驱动系统，其特征在于，在通过废热回收系统(20)产生能量发生故障时，断开连接在船舶电网(5)上的对于船舶运行非必要的电消耗器。
14.如权利要求8至13中任一项所述的船舶驱动系统，其特征在于，这样构成轴发电机/发动机(11)、逆变器(12，52)以及控制和调节系统(16)，使得轴发电机/发动机(11)可以在短于1秒的时间内从发动机运行转换到发电机运行。
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