CN102629766A - 缓和公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及缓和公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的系统和方法。描述了一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机(110)的风力发电场(100)与电力网之间的公共耦合点(120)处的三相电流的电气不平衡的系统。所述系统包括:(a)测量设备(122),用于测量所述公共耦合点(120)处的电气不平衡并提供指示所测量到的电气不平衡的测量信号(122a);以及(b)中央风力发电场控制器(130),用于控制所述多个风力涡轮机(110)的操作。所述中央风力发电场控制器(130)耦合至所述测量设备(122)。响应于所述测量信号(122a),所述中央风力发电场控制器(130)被配置为提供用于缓和所述公共耦合点(120)处的电气不平衡的控制信号(130a)。

Description

缓和公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的系统和方法
技术领域
本发明涉及将已经由包括多个风力涡轮机的风力发电场生成的电功率从风力发电场传输至电力网的技术领域。具体地,本发明涉及一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机的风力发电场与电力网之间的公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的系统和方法。此外,本发明涉及一种计算机程序,其被配置为控制上述电气不平衡缓和方法。
背景技术
风力涡轮机用于以清洁且高效的方式将风能转换为电能。在风力涡轮机中,包括转子叶片的转子直接地或利用变速箱驱动发电机。在发电机的定子端子处逐渐形成的交流电(AC)频率与转子的旋转速度成正比。定子端子处的电压还作为发电机的旋转速度的函数而变化。对于最优能量捕获,该旋转速度根据驱动转子叶片的风速而变化。为了限制高风速下的能量捕获并避免对转子的损坏,通过更改转子叶片的螺距角来控制发电机的旋转速度。
典型地,功率转换器实现将发电机的可变电压和频率适配至电力网的额定固定电压和频率。典型地,功率转换器包括发电机桥,该发电机桥在正常操作中作为有源整流器进行操作以给直流(DC)链路供电。发电机桥可以具有任何合适的拓扑,其中,使用脉冲宽度调制(PWM)策略来完全控制和调节一系列半导体功率开关设备。典型地,功率转换器包括两个网桥,其中,第一网桥将由发电机提供的AC功率信号转换为DC功率信号,并且第二网桥将该DC功率信号转换为AC功率信号,这在电压、频率和相位角上与电力网相匹配。
WO 2010/018424 A1公开了一种控制功率转换器以将有功功率的量和无功功率的量递送至三相电力网的方法。该方法包括:提供在PWM模式中操作的风力多相发电机和AC-AC转换器。AC-AC转换器具有与三相发电机连接的转换器输入端子集合以及经由转换器阻抗与三相电网的电网输入端子集合连接的转换器输出端子集合。该方法还包括:提供控制单元,该控制单元包括用于测量电流和电压的测量单元以及运行用于生成电流参考值的控制算法的微控制器。测量单元测量转换器输出端子和/或电力网输入端子上的电流和/或电压。AC-AC转换器将电网输入端子上的电流调节为使得其与电流参考值相对应。
EP 1 995 863 A2公开了一种控制可以用于与供电网或电力网进行接口连接的多个功率转换器的方法。每个功率转换器包括根据PWM策略而操作的网桥,其具有相同的开关时段并引起电力网的电压中的至少一个不需要的谐波。该方法包括以下步骤:给每个网桥的PWM策略的开关时段提供相对于时间数据的不同时间偏移,以使得至少部分地消除供电网电压中的至少一个不需要的谐波。
风力发电场或风电场(也被称作风力发电厂)是关于彼此紧密邻近安装的一批几十个或几百个风力涡轮机。在风力发电场内,在公共集电总线(母线)(在下文中也被称为公共耦合点(PCC))处聚集由各种(various)风力涡轮机生成的电功率。
风力发电场通常位于距电力网若干英里的乡村地方。因此,必须使用电功率传输链路,以便将PCC与电力网的子站相连接。这通常产生PCC处的“弱”电网。在PCC处,例如由电力网的非对称负载引起的电力网中的扰动将被视为不平衡,其中,在示出每个相位的相位角和量值的电矢量图中,相位偏移和量值在扰动期间不相等。对于平衡系统,电压矢量的量值彼此相等,并且不同相位之间的相位偏移是120°。对于不平衡系统,量值不相等,相位偏移也不相等。
在电力工程中,通过叠加对称分量来处理不平衡系统是惯例。这意味着:不平衡系统被组合至正序列、负序列和零序列中。正序列表示平衡系统的矢量图,其中,矢量沿逆时针方向旋转。负序列表示平衡系统的矢量图,其中,矢量也沿逆时针方向旋转。零序列仅表示也沿逆时针方向旋转的单个矢量。
对于平衡系统,仅存在正序列。负序列将仅在一些不平衡的情况下才显露。零序列的存在是对电气网络中的故障的指示。
对于典型的风力发电场应用,正序列矢量可以具有例如132 kV的幅度。典型地,负序列矢量具有例如150 V至200 V的幅度。当然,理想情况将是负序列矢量具有0 V的幅度的情况,但这在现实中是极其不可能的。
可能存在使包括风力发电场和电力网的电气系统平衡的需要,以便得到更好的电压质量。
发明内容
这种需要可以被根据独立权利要求所述的主题满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
根据本发明的第一方面,提供了一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机的风力发电场与电力网之间的公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的系统。所提供的系统包括:(a)测量设备,其用于测量所述公共耦合点处的电气不平衡并用于提供指示所测量到的电气不平衡的测量信号;以及(b)中央风力发电场控制器,其用于控制所述多个风力涡轮机的操作,其中,所述中央风力发电场控制器耦合至所述测量设备,并且,其中响应于所述测量信号,所述中央风力发电场控制器被配置为提供用于缓和所述公共耦合点处的电气不平衡的控制信号。
所描述的电气不平衡缓和系统基于以下思想:用于协调所述风力发电场的多个风力涡轮机的操作的中央风力发电场控制器还可以用于相应地控制电气平衡,以便缓和所述公共耦合点(PCC)处的电气不平衡。
通过与用于结合风力涡轮机缓和电气不平衡的已知技术相比,在被分配给一个或多个风力涡轮机的端子处不执行不平衡测量。根据本发明,直接在PCC处进行不平衡测量。
在本文档中,术语PCC可以具体表示风力发电场的电气节点,在所述电气节点处,将聚集由风力发电场的各种风力涡轮机生成的电气功率。PCC可能是利用与多个风力涡轮机中的每一个相连接的公共集电总线(母线)来实现的。
根据本发明的实施例,所述测量信号是由所述公共耦合点处的三相电流的电压信号的负序列的幅度和正序列的幅度之间的比给出的电压不平衡因子。
如上文已经提到的那样,在这一点上,正序列和负序列是公共耦合点处的不平衡电压信号的对称(平衡)分量。具体地,正序列表示平衡系统的矢量图,其中,矢量沿逆时针方向旋转,并且,负序列表示平衡系统的矢量图,其中,矢量也沿逆时针方向旋转。
以描述性的方式来说,PCC处的电压不平衡因子(VUF)由测量设备确定,并且VUF被转发至中央风力发电场控制器。基于VUF,中央风力发电场控制器使各风力涡轮机中的至少一些风力涡轮机和/或电气不平衡补偿单元以使得至少近似地减小PCC处的电气不平衡的这种方式进行操作。
以下等式(1)示出对VUF的数学定义:
                             (1)
从而,| - |是负序列电压幅度(的绝对值),并且|V + |是正序列电压幅度(的绝对值)。
在这一点上需要提到,完美平衡的电气系统将不具有负序列(|V - |=0),并且因此VUF=0。对于风力涡轮机应用,VUF的典型值处于1%至2%的范围内。
需要提到,在所描述的实施例中,在中央风力发电场控制器中结合有负序列控制器。这具有以下优势:除了所描述的测量设备以外,不必要进行进一步的实验努力以便完成不平衡缓和。因此,为了以协调的方式操作多个风力涡轮机而无论如何都必要的中央风力发电场控制器可以用于有效地减小PCC处的电气不平衡。因此,(a)可以改进PCC处的电压质量;(b)可以减小由电气不平衡引起的PCC处的谐波扰动;和/或(c)可以最小化由这种谐波引起的附加功率损耗。
根据本发明的另一实施例,中央风力发电场控制器被配置为确定所测量到的电压不平衡因子与预定义参考电压不平衡因子之间的差值。此外,中央风力发电场控制器包括控制单元,所述控制单元被配置为处理所确定的差值并输出负序列电压补偿信号,所述负序列电压补偿信号用于缓和公共耦合点处的电气不平衡。
以描述性的方式来说,中央风力发电场控制器的控制单元被配置为对所测量到的VUF起作用。在中央风力发电场控制器中设置表示VUF的参考值的预定义参考电压不平衡因子。将所测量到的VUF与该参考值(即,被设置为0.02或0.03)进行比较,并通过控制单元来馈送所测量到的VUF,该控制单元在其输出端处提供负序列电压补偿信号。
为了完成对公共耦合点处的电气不平衡的所期望的缓和,可以将该信号注入或添加至所谓的相量电压,该相量电压被转发至多个风力涡轮机中的至少一些风力涡轮机的功率转换器。在这一点上,相量电压是被相应功率转换器使用以改变相应功率转换器的三相电流的每个相之间的相位偏移的信号。自然地,这种相位偏移改变将对公共耦合点处的电气(不)平衡有影响。
备选地或相结合地,还可以将负序列电压补偿信号转发至电气不平衡补偿单元。响应于负序列电压补偿信号,电气不平衡补偿单元可以将调整电流注入至PCC处的三相电流的各种相,以使得至少近似地减小PCC处的电气不平衡。
根据本发明的另一实施例,所述控制单元包括:(a)比例(P)控制电路;(b)比例微分(PD)控制电路;(c)比例积分微分(PID)控制电路;和/或(d)超前/滞后控制电路。这可以提供以下优势:所述控制单元可以由对所测量到的VUF与预定义参考VUF之间的差起作用的已知且完好建立的控制电路来实现。
在这一点上需要提到,超前/滞后控制电路以已知的方式依赖于以下传递函数:该传递函数被重新布置为使得从涉及输入的项之和以及输入和输出的积分的方面表达超前/滞后控制电路的输出。
根据本发明的另一实施例,由所述中央风力发电场控制器提供的控制信号是用于所述多个风力涡轮机中的至少一些风力涡轮机的功率转换器的补偿信号。这可能意味着:所述控制信号是所谓的相量电压信号,所述相量电压信号由中央控制单元提供给相应的风力涡轮机功率转换器,以便:(a)改变相应风力涡轮机功率转换器的输出端处的相应三相电流的至少一个相的相位值;和/或(b)改变相应风力涡轮机功率转换器的输出端处的三相电流的各个相之间的偏移。自然地,这种相位值改变和/或相位偏移改变将对PCC处的电气(不)平衡有影响。
根据本发明的另一实施例,所述系统还包括:电气不平衡补偿单元,其耦合至中央风力发电场控制器,并响应于由中央风力发电场控制器提供的控制信号,被配置为将调整电流注入至所述公共连接点处的三相电流的各种相。
所描述的电气不平衡补偿单元可以是与PCC紧密邻近地安装的。该电气不平衡补偿单元从中央风力发电场控制器接收控制信号,并以缓和PCC处的电气不平衡的这种方式来调整所注入的负序列电流。
根据本发明的另一实施例,所述系统还包括:变压器,其连接在所述公共耦合点与功率传输链路之间,所述功率传输链路将所述变压器与电力网的子站相连接。这可以提供以下优势:可以以下面这种方式来改变或适配PCC处的电压,所述方式为可以完成经由功率传输链路的有效功率传输。优选地,所述变压器是电压升压变压器,其从PCC接收特定电压电平并将提高的电压电平提供给功率传输链路。这可以提供以下优势:可以降低功率传输链路内的功率损耗。
根据本发明的另一实施例,所述测量设备连接在所述公共耦合点与所述变压器之间。这可以提供以下优势:可以从PCC直接精确地测量无掺杂的(unadulterated)电压信号及其不平衡的程度,这在长的功率传输链路线缆的情况下具体表示风力发电场与电力网的子站之间的功率连接的关键的“弱点”。
根据本发明的另一实施例,所述测量设备连接在所述变压器与所述功率传输链路之间。在升压变压器的情况下,这意味着:所述测量设备位于所述变压器的更高电压侧。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机的风力发电场与电力网之间的公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的方法。所提供的方法包括:(a)利用测量设备来测量所述公共耦合点处的电气不平衡;(b)将指示所测量到的电气不平衡的测量信号从所述测量设备转发至中央风力发电场控制器,所述中央风力发电场控制器适于控制所述多个风力涡轮机的操作;以及(c)由所述中央风力发电场控制器响应于所述测量信号,提供用于缓和所述公共耦合点处的电气不平衡的控制信号。
此外,所描述的电气不平衡缓和系统基于以下思想:用于协调所述风力发电场的多个风力涡轮机的操作的中央风力发电场控制器还可以用于控制PCC处的电气平衡。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机的风力发电场与电力网之间的公共耦合点处的三相电流的电气不平衡的计算机程序。所述计算机程序在由数据处理器执行时适于控制和/或执行上述方法,该方法用于缓和位于包括多个风力涡轮机的风力发电场与电力网之间的公共耦合点处的三相电流的电气不平衡。
如这里所使用的那样,对计算机程序的引用意在等效于与对程序元件和/或计算机可读介质的引用,所述计算机可读介质包含用于控制计算机系统以协调对上述方法的执行的指令。
可以以任何合适的编程语言(诸如例如,JAVA、C++)将所述计算机程序实现为计算机可读指令代码,并可以将所述计算机程序存储在计算机可读介质(可移动磁盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)上。该指令代码可操作用于将计算机或任何其他可编程设备编程为执行所预期的功能。所述计算机程序可以从网络(诸如万维网)得到,可以从该网络下载所述计算机程序。
本发明可以通过计算机程序(相应地,软件)而实现。然而,本发明也可以通过一个或多个专用电子电路(相应地,硬件)而实现。此外,本发明还可以以混合形式(即,以软件模块和硬件模块的组合)实现。
必须注意,已经参照不同主题描述了本发明的实施例。具体地,已经参照装置类型的权利要求描述了一些实施例,而已经参照方法类型的权利要求了描述其他实施例。然而,本领域技术人员将从以上和以下描述中获知,除了属于一种类型的主题的特征的任何组合以外,与不同主题相关的特征之间(具体地,装置类型的权利要求的特征与方法类型的权利要求的特征之间)的任何组合也被认为利用本文档而公开,除非另有声明。
从以下要被描述的实施例的示例中显而易见并参照实施例的示例来解释本发明的以上定义的方面和其他方面。以下将参照实施例的示例来更详细地描述本发明,但是,本发明不限于此。
附图说明
图1示出风力发电场,该风力发电场包括用于将风力发电场的风力涡轮机与电力网相连接的PCC,其中,根据本发明的第一实施例,中央风力发电场控制器:(a)从要被连接到PCC的测量设备接收VUF;以及(b)响应于接收到的VUF,以缓和PCC处的电气不平衡的这种方式来控制风力涡轮机的功率转换器的操作。
图2示出根据本发明的第二实施例、利用补偿单元对风力发电场的PCC处的电气不平衡的缓和,其中,响应于由中央风力发电场控制器提供的控制信号,该补偿单元被配置为将调整电流注入至PCC处的三相电流的各种相,所述控制信号依赖于PCC处的VUF。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。需要注意,在不同图中,给相似或相同元素提供了仅在第一个数字上与对应的参考标记不同的参考标记。
图1示出风力发电场100,其包括多个风力涡轮机110。每个风力涡轮机110(其被示为“X”)包括未被描绘的各个控制单元和未被描绘的电气转换器。该电气转换器以已知的方式将由风力涡轮机110的风力驱动发电机提供的异步AC功率输出首先转换为DC功率,并且其次转换为具有给定AC频率的同步AC功率输出。风力发电场100还包括多个变压器112,其中,相应地,一个变压器112被分配给一个风力涡轮机100并将相应风力涡轮机110连接至母线114。根据这里描述的实施例,在一个母线114处收集分别由四个风力涡轮机110生成的电力。
如从图1中可见的那样,母线114经由高压线缆116连接至中央母线120,该中央母线120表示风力发电场的公共连接点(PCC)。高压线缆118的阻抗被示意性地示为阻抗116a。
风力发电场100还包括中央风力发电场控制器130,该中央风力发电场控制器130经由数据连接网络(在图1中仅示出了一个数据连接线路132)与风力涡轮机110的各个控制单元中的每一个相连接。根据这里描述的实施例,中央风力发电场控制器130充当风力发电场100的所有风力涡轮机120的上级控制器。通过监控各个控制单元,中央风力发电场控制器130能够以协调的方式控制风力涡轮机110的操作。在该上下文中,中央风力发电场控制器130收集与各个风力涡轮机110有关的操作信息,并将适当的控制信号传输至相应的各个控制单元。
需要提到,在这里描述的本发明的实施例的上下文中,控制风力涡轮机110的操作还包括:控制风力涡轮机110的电气转换器的操作。如以下将更详细描述的那样,通过控制风力涡轮机转换器的操作,可以影响PCC 120处的电气平衡。
如从图1中还可以看出的那样,PCC 120经由中央变压器125、母线144和AC功率传输链路150与子站180相连接。根据这里描述的实施例,中央变压器125将电压从(PCC 120处的)33 kV提高至母线144处的275 kV。通过提高电压,可以降低在电功率传输至子站180期间电功率的损耗。当然,其他电压步长也是可能的。此外,在所描述的实施例中,AC功率传输链路150包括海底线缆151,该海底线缆151具有阻抗(Z-_Trans_line)151a。在图1中,子站180由其戴维南等效电压源182和其戴维南等效阻抗184示意性地图示。
测量单元122连接在PCC与中央变压器125之间。测量单元122测量PCC 120处的电气不平衡并提供指示在PCC 120处测量到的电气不平衡的测量信号122a。该测量信号122a经由数据连接124而转发至中央风力发电场控制器130。根据这里描述的实施例,测量信号是由PCC 120处的三相电流的电压信号的负序列的幅度和正序列的幅度之间的比给出的电压不平衡因子(VUF)122a。
基于VUF 122a,中央风力发电场控制器130确定通过数据连接线路132转发至风力涡轮机110的各种的各个控制单元的控制信号130a。根据这里描述的实施例,控制信号130a是PCC 120处的不平衡三相电压信号的负序列的幅度。在图1中,该幅度被称为|V-|。
基于负序列的幅度|V-|,以至少近似地减小PCC 120处的电气不平衡的这种方式来对风力涡轮机110的各个控制单元进行操作。具体地,可以对各个控制单元进行操作,从而调整由各个风力涡轮机110提供的各个三相电流的相位角,以使得在将各种风力涡轮机110在PCC 120处的各个功率输出进行组合之后,缓和PCC 120处的不平衡。
需要提到,还有可能将测量单元置于变压器125与母线144之间。
图2示出本发明的第二实施例。风力发电场200经由PCC 220连接至电力网连接点290。电力网连接点290由其戴维南等效电压源290a、290b和290c示意性地图示,该戴维南等效电压源290a、290b和290c中的每一个被分配给三相电流中的一个相。再次,风力发电场200包括多个未描绘的风力涡轮机,这些风力涡轮机被中央风力发电场控制器230以监控的方式控制。
中央风力发电场控制器230从测量单元222接收测量信号222a,该测量信号222a指示在PCC 220处测量到的电气不平衡,并经由数据连接224将该测量信号222a传输至中央风力发电场控制器230。再次,测量信号是由PCC 220处的三相电流的电压信号的负序列的幅度和正序列的幅度之间的比给出的电压不平衡因子(VUF)。
基于VUF 222a,中央风力发电场控制器230确定经由数据连接线路232转发至电气不平衡补偿单元240的控制信号230a。根据这里描述的实施例,控制信号230a与PCC 220处的(不平衡)电压信号的负序列的幅度成比例。在图2中,该幅度被称为|V-|。
基于负序列的幅度|V-|,电气不平衡补偿单元240生成调整电流Isa、Isb和Isc,分别经由三个电流注入线路240a、240b和240c将该调整电流Isa、Isb和Isc注入至PCC 220。调整电流Isa、Isb和Isc中的每一个具有电流值,该电流值使PCC 220处的电气不平衡得以缓和。
应当注意,术语“包括”并不排除其他元素或步骤,并且对冠词“一”或“一个”的使用并不排除多个。还可以将与不同实施例相关联地描述的元素进行组合。还应当注意,权利要求中的参考标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机(110)的风力发电场(100、200)与电力网之间的公共耦合点(120、220)处的三相电流的电气不平衡的系统,所述系统包括:
测量设备(122、222),其用于测量所述公共耦合点(120、220)处的电气不平衡并用于提供指示所测量到的电气不平衡的测量信号(122a、222a);以及
中央风力发电场控制器(130、230),其用于控制所述多个风力涡轮机(110)的操作,
其中,所述中央风力发电场控制器(130、230)耦合至所述测量设备(122、222),并且其中响应于所述测量信号(122a、222a),所述中央风力发电场控制器(130、230)被配置为提供用于缓和所述公共耦合点(120、220)处的电气不平衡的控制信号(130a、230a)。
2.根据前述权利要求所述的系统,其中,所述测量信号(122a、222a)是电压不平衡因子,其是由所述公共耦合点(120、220)处的三相电流的电压信号的负序列的幅度和正序列的幅度之间的比给出的。
3.根据前述权利要求所述的系统,其中,所述中央风力发电场控制器(130、230)被配置为确定所测量到的电压不平衡因子与预定义的参考电压不平衡因子之间的差值,并且
其中所述中央风力发电场控制器(130、230)包括控制单元,所述控制单元被配置为处理所确定的差值并输出负序列电压补偿信号,所述负序列电压补偿信号用于缓和所述公共耦合点(120、220)处的电气不平衡。
4.根据前述权利要求所述的系统,其中,所述控制单元包括:
- 比例控制电路;
- 比例微分控制电路;
- 比例积分微分控制电路;和/或
- 超前/滞后控制电路。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,其中,
由所述中央风力发电场控制器(130)提供的控制信号是用于所述多个风力涡轮机(110)中的至少一些风力涡轮机的功率转换器的补偿信号(130a)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,还包括:
电气不平衡补偿单元(240),其耦合至中央风力发电场控制器(230),并响应于由中央风力发电场控制器(230)提供的控制信号(230a),被配置为将调整电流(Isa、Isb、Isc)注入至所述公共连接点(220)处的三相电流的各种相。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统,还包括:
变压器(125),其连接在所述公共耦合点(120)与功率传输链路(150)之间,所述功率传输链路(150)将所述变压器(125)与电力网的子站(180)相连接。
8.根据前述权利要求7所述的系统,其中,所述测量设备(122)连接在所述公共耦合点(120)与所述变压器(125)之间。
9.根据前述权利要求7所述的系统,其中,所述测量设备连接在所述变压器与所述功率传输链路之间。
10.一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机(110)的风力发电场(100、200)与电力网之间的公共耦合点(120、220)处的三相电流的电气不平衡的方法,所述方法包括:
利用测量设备(122、222)来测量所述公共耦合点(120、220)处的电气不平衡;
将指示所测量到的电气不平衡的测量信号(122a、222a)从所述测量设备(122、222)转发至中央风力发电场控制器(130、230),所述中央风力发电场控制器(130、230)适于控制所述多个风力涡轮机(110)的操作;以及
由所述中央风力发电场控制器(130、230)响应于所述测量信号(122a、222a),提供用于缓和所述公共耦合点(120、220)处的电气不平衡的控制信号(130a、230a)。
11.一种用于缓和位于包括多个风力涡轮机(110)的风力发电场(100、200)与电力网之间的公共耦合点(120、220)处的三相电流的电气不平衡的计算机程序,所述计算机程序在由数据处理器执行时适于控制和/或执行根据前述权利要求所述的方法。
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