CN102790400B - 电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法 - Google Patents

电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。本补偿方法由磁控电抗器(MCR)、固定电容器(FC)加上小容量铁路功率调节器(RPC)组成。本发明所用RPC是PWM控制电压型变流器,经变压器安装于高速铁路牵引站的两侧,快速响应并实现有功功率的转移,传递小容量的有功并完成一定容量的不平衡补偿任务,容量剩余时进行谐波抑制。剩余部分再由MCR+FC补偿装置将负序和无功电流补偿到满足要求,实现优化补偿节省容量的目的。相对以前的单纯电抗器补偿,本发明减小了很多的补偿容量、增加了响应速度;相对单纯的RPC补偿,本发明减小了成本、增加了装置稳定性。

Description

电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电气化铁路无功负序电流协同控制装置及其方法,尤其是涉及一 种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。
背景技术
[0002] 电气化铁路牵引负荷是电力系统中的一种重要的电能污染源,电气化铁道的电能 质量问题一直受到众多学者和技术人员的广泛重视。电气化铁路牵引负荷相对其它负荷而 言具有以下几个突出的特点:单相独立不对称性,负序含量高;大功率整流负荷,功率因数 不高,谐波含量较高,主要含有3、5、7次谐波;随机波动性,机车在铁道上运行功率大小具 有随机性,电压波动较大。而高速铁路速度快、动力大,是我国近几年来重点发展的交通运 输方式之一。高速铁路机车采用单相供电方式且负荷大,会产生很大的负序电流。高铁动 车采用高功率因数整流机车,无功和谐波方面都较为理想,且谐波主要为高次谐波,较容易 滤除。高速铁路供电系统主要面临的是负序电流较大的问题。
[0003] 目前铁路供电系统采用的一般都是晶闸管控制电抗器(TCR)+固定电容器(FC)的 形式来抑制负序电流。但是这种方法存在以下几个问题:
[0004] 1.动态响应性差,TCR的动态响应性不能满足高速铁路快速变化的负载要求。
[0005] 2.谐波含量大,TCR的谐波含量达到15%,且低次谐波含量大。对高铁路供电系统 有较大冲击。
[0006] 3.补偿装置面积大、噪音大、成本大和损耗大等问题。
[0007] 为解决这个问题,本专利采用磁控电抗器(MCR)作为补偿基本装置。我国磁控型 SVC (MCR)在90年代之后有了很大的发展,MCR在保持相控电抗器(TCR)优点的同时,克 服了 TCR的缺点。采用磁控式,使整个SVC系统可靠性极高,20年免维护。应用极限磁饱和 先进技术,不仅使所产生的谐波大大减少,而且有功损耗低、响应速度快、无电磁辐射。这使 得MCR越来越多地应用于各种电力线路中。
[0008] 但是MCR的动态响应性也无法做到极佳的动态响应性。并且传统的用无功发生装 置直接补偿负序电流的方法需要很大的无功容量。为解决这两个问题,课题组提出本专利 所述的混合式补偿方法。
[0009] 铁路功率调节器(RPC)最早的日本学者提出,是近年来学者研究较多的铁路供电 系统电能质量控制方法之一。RPC补偿方法响应性好、控制灵活、可拓展性强,但是由于电力 电子器件容量有限,如果全部无功、负序和谐波要用RPC来调节的话,成本将会非常高且制 造工艺复杂、可靠性也降低。
发明内容
[0010] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题;提供了一种减小了很多的补偿容 量、增加了响应速度的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。
[0011] 本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题;提供了一种减小了成本、 增加了装置稳定性的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置及其方法。
[0012] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0013] 一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置,其特征在于,包括并联在两 负载侧用于补偿无功及负序的两个SVC装置、设置在两负载侧同时经两个降压变压器并联 用于吸收和发出有功和无功的RPC装置、分别设置在两负载侧的两组用于检测电流以及电 压的CT采集装置和PT采集装置、与两组CT采集装置和PT采集装置连接的PLC及扩展模 块、与PLC及扩展模块连接用于控制RPC装置的RPC控制装置、与PLC及扩展模块连接的用 于给SVC装置脉冲信号的脉冲处理装置、以及用于控制SVC装置并与脉冲处理装置连接的 触发装置。
[0014] 在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置,所述SVC装置均包括一 个固定电容FC以及与固定电容FC并联的一个电抗器MCR,所述上述触发装置为晶闸管,并 与电抗器MCR连接。
[0015] 在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置,还包括一个SVC装置, 一端与一个负载侧连接,另一端与另一个负载侧连接,该SVC装置与所述脉冲处理装置连 接。
[0016] 电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征在于,将两负载侧的电压 不平衡度补偿到〇,而功率因数补偿到1,即完全补偿,包括以下步骤:
[0017] 步骤1,两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号, 并将其送至PLC及扩展模块;
[0018] 步骤2, PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率;然 后经PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量,转换成相应的控制角度通过 脉冲处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。
[0019] 在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征在于,所述的步 骤2中,定义RPC装置容量为S,有功功率的转移为a,两负载侧相间为ca、bc以及两负载侧 之间相间为ab,转移容量后,两侧的有功功率为x-a、y+a,三个相间即ca、be、ab相间的有 功分别为x_a、y+a、0,根据X、y以及a之间的关系选择执行一下步骤:
[0020] 选择步骤1,将两负载侧相间为ca、be以及两负载侧之间相间ab分为三个部分: 部分一为三个相间负载为a、a、0 ;部分二为三个相间负载为y、y、0 ;部分三为三个相间负载 为x-y-2a、0、0 ;当x>y+2a,部分一的有功RPC转移部分相等,在ca侧加电容性无功、be侧 加以电感性无功,其值都为,得到PRC的总容量S= 士2+(fl/W)2 = 2a!S,0分 二利用SVC装置进行补偿,补偿方法采用Steinmetz理论,理论内容是在负载相间的后两个 相间分别加以容性和感性的无功,值均为l/#倍的有功负载功率,即在ca相间和be相间投 以容性无功和感性无功;部分三利用Steinmetz理论,在ab相间、be相间分别投 以容性和感性的大小都为无功功率;三部分的有功都完全补偿掉了,所用 至 1J的总容量之和为2(x-;
[0021] 选择步骤2,在y+2a>x>y时,两侧的有功可以分为两个部分,部分一:能用RPC装 置补偿的部分,三个相间分别为、七(_)、〇;部分二:剩下的功率在负载两侧也是相等 的,三个相间有功分别为〇t + J,;)/2-、^ + >,;)/2-40、〇,即转移(x-y)/2,转移之后 两侧的功率值都为(x+y) /2,此时RPC装置能提供的ρ = ^s2-(x + yf/4,部分一用RPC补 偿掉,部分二利用MCR+FC加以补偿,在ca和be相间分别投以大小相等为(X +β 容性无功和感性无功,所用的总容量为(x + >,)/#-20 + 5。
[0022] 电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,将功率因数补偿到0. 95以上、电 压不平衡度补偿95%概率值为2%,短时不得超过4%,即优化补偿,包括以下步骤:
[0023] 步骤1,两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号, 并将其送至PLC及扩展模块;
[0024] 步骤2, PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率;然 后经PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量,转换成相应的控制角度通过 脉冲处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。
[0025] 在上述的电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征在于,所述步骤2 的具体补偿方法如下:建立优化补偿方程如下式所示:
[0026] minf (Qbc,Qab, QJ = Qbc-Qab-Qca
[0027] s. t.
[0028] Qab+Qbc+Qca+QL^ 0
[0029] ε j- μ
[0030] COS^9- Γ > 0
[0031] 式中,f为最小补偿容量方程,Qab别为各相间所需的无功容量,前面加负 号的表示为容性,S1S电流不平衡度,与电压不平衡度的关系为心=%^,C0S(j5为功率 因数值,μ和C分别为电流不平衡度和功率因数的限值,其中第二个式子表示总的无功不 能呈现容性以避免产生过电压;
[0032] 用Langrange函数法解这个方程可以得到最优化解如下:
[0033]
Figure CN102790400BD00071
[0034] 式中的是负载侧的有功功率,从而得了优化补偿各相间所需要补偿的容量,这 种方法可以大大地减小补偿装置的容量,其减小的容量为:
Figure CN102790400BD00081
[0036] 因此,本发明具有如下优点:1.可以减小高速铁路负序补偿所需的容量,并且减 小补偿装置的谐波注入、增加补偿装置的响应性;2.控制系统集协同、计算、发脉冲、稳定 控制及人机交互于一体;3.相对以前的单纯电抗器补偿,减小了很多的补偿容量、增加了 响应速度;4.相对单纯的RPC补偿,减小了成本、增加了装置稳定性。
附图说明
[0037] 图1是本发明的混合式补偿结构图。
[0038] 图2是本发明的方法结构图。
[0039] 图3是本发明中MCR控制原理图。
[0040] 图4是本发明中RPC采用单相全桥PWM变流器的拓扑图。
[0041] 图5是本发明中RPC控制原理图。
具体实施方式
[0042] 下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0043] 首先,介绍一下本发明的基本原理,本发明有两种补偿方式,即完全补偿以及优化 补偿:
[0044] (-)完全补偿的工作原理:补偿结构图如图1所示,在两负载侧即ca与be侧并联 MCR+FC装置用于补偿无功及负序,同时经两个降压变压器并联小容量RPC装置用于吸收和 发出有功和无功。因为高速铁路的功率因数比较高,无功的补偿在两侧由补偿装置完成。也 就是说RPC主要工作在无功和负序补偿任务中,但是当RPC投入容量较小时也可调节其输 出进行谐波的抑制。不平衡补偿具体实现方法如下:假设两侧负载为X和y,为减小安装的 PRC的容量,这里设置RPC为一小容量模型,其容量为S,并设有功功率的转移为a。转移一 个小容量后,两侧的有功功率为x_a、y+a。当然此处的X > y+2a,其它情况将在后面分析。 这时候三个相间即ca、be、ab相间的有功分别为x-a、y+a、0,现将其分为三个部分:(1)三 个相间负载为a、a、0 ; (2)三个相间负载为y、y、0 ; (3)三个相间负载为x-y-2a、0、0。
[0045] 第(1)部分的有功RPC转移部分相等,容量较小,本文提出用RPC发无功的方式将 负序电流补偿到〇,补偿方法是Ca侧加电容性无功、be侧加以电感性无功,其值都为, 至此,我们就可以得到PRC的总容量S= 士2+(fl"J)2 = 2α/·^,此处的小容量一般是取为 最大负载容量的10%到20%之间;第(2)部分在y接近于X的情况下将会是一个比较大的 值,为此这一部分利用MCR+FC进行补偿,补偿方法采用Steinmetz理论,理论内容是在负载 相间的后两个相间分别加以容性和感性的无功,值均为lA/i倍的有功负载功率,即在ca相 间和be相间投以容性无功^/4和感性无功j;/#;第⑶部分在y较小的情况下也将会是 一个比较大的值,这部分的补偿同样是利用Steinmetz理论,在ab相间、be相间分别投以 容性和感性的大小都为无功功率就可以。三部分的有功都完全补偿掉了, 所用到的总容量之和为,这种情况下的总容量与y是没有关系的,总容量的大 小仅与X和a有关,a的取值不一样,所用到补偿容量就不一样。
[0046] 前面讲到X和y要满足X > y+2a的条件,现在分析在不满足这个条件时的情 况。在7+2&>1>7时,这种情况下有功就不必转移a 了,只需转移(x_y)/2即可。转 移之后两侧的功率值都为(x+y)/2,但此时RPC能提供的无功容量相对来说就提高了,假 设其容量依然为S,则能提供的0 = ^S2-(x + yf/4,相对上一种情况同等容量下这里的 Q值是要更大的。这时,两侧的有功可以分为两个部分:(1)能用RPC补偿的部分,三个相 间分别为#β、#β、〇 ;(2)剩下的功率在负载两侧也是相等的,三个相间有功分别为 + (χ + ^/2-^ρ、0。第⑴部分用RPC可以补偿掉,第⑵部分利用 MCR+FC加以补偿,在ca和be相间分别投以大小相等为+ _y;)/2^-β容性无功和感性无 功即可。这种方法所用的总容量为(x + j〇/^-20 + 5。
[0047] (二)优化补偿的工作原理:应用Steinmetz理论进行补偿容量的计算得到的补偿 容量的值比较大,是因为这个理论将电压不平衡度补偿到〇 了,而功率因数也补偿到1。为 进一步减小补偿容量,本方法提出按国标要求进行补偿,即不将功率因数补偿到1、也不将 电压不平衡度补偿到〇,而是按要求将功率因数补偿到〇. 95以上、电压不平衡度补偿95%概 率值为2%,短时不得超过4%。本方法拟将电压不平衡度补偿到2%以内,并以此为约束条件 建立优化补偿方程如下式所示:
[0048] minf (Qbc,Qab, QJ = Qbc-Qab-Qca
[0049] s. t.
[0050] Qab+Qbc+Qca+QL^ 0
[0051] ε j- μ
[0052] COS^> 0
[0053] 式中,f为最小补偿容量方程。Qab、Qb。、〇。 3分别为各相间所需的无功容量,前面加 负号的表示为容性。ε 电流不平衡度,与电压不平衡度的关系为心=% f。COS(J)为 功率因数值。μ和c分别为电流不平衡度和功率因数的限值。其中第二个式子的意思是总 的无功不能呈现容性以避免产生过电压。
[0054] 用Langrange函数法解这个方程可以得到最优化解如下:
[0055]
Figure CN102790400BD00091
[0056] 式中的1\是负载侧的有功功率。至此,就得了优化补偿各相间所需要补偿的容量。 这种方法可以大大地减小补偿装置的容暈。其减小的容量为:
Figure CN102790400BD00101
[0058] 本文所用的Steinmetz理论就可以应用上述的优化Steinmetz理论,这样可以进 一步的减小补偿装置容量。
[0059] 以下是采用上述工作原理的具体实施例:
[0060] 本补偿方法具体结构如图2所示。
[0061] 小容量RPC转移一部分有功及完成这部分的不平衡补偿任务,之后再由MCR+FC进 行负序的优化补偿。
[0062] MCR由晶闸管触发控制,不同的触发角度对应于不同的容量。在高速铁路负序控制 中,MCR的控制较为简单。控制原理图如图3所示。装置的MCR控制部分由PLC完成。
[0063] 图中,用瞬时功率理论的方法算出此时的有功功率P,P得到后根据RPC的实际容 量S确定需转移的X。转移完后负载侧剩余的功率为P-2XP,再经PLC的优化计算得到MCR 的发出容量,转换成相应的控制角度调节MCR的输出容量。
[0064] 本方法所采用的RPC为单相全桥PWM控制电压型变流器,其结构如图4所示,由两 个电压源型变流器(VSC)组成,两个VSC-个工作在整流状态,一个工作在逆变状态。两个 VSC通过一个直流电容联结,电容电压恒定。另外一侧分别接在牵引线路的α侧与β侦牝 将两侧的功率进行交换。两侧电压可以看成是不变的,所以交换的功率大小由电流i a、ie 的形式体现出来。用脉宽调制(PWM)的方法控制两侧每个开关器件的导通状态,就可以控 制两个VSC工作在整流、逆变和某功率因数输出的状态。
[0065] RPC要实现牵引线路两侧有功功率的传递,RPC控制器应具有两个控制功能:直流 电压恒定控制和交流电流跟踪控制。两变流器要正常工作,必须要有一个稳定的直流电源, 两侧变流器应可以有效地维持直流电压即电容两端电压的稳定。因此,在RPC的交流电流 跟踪控制必须再加上一个直流电压维持电流i d。,控制原理图如图5所示。
[0066] 图中,直流电压经PI调节后与同步信号相乘得到有功电流指令,并与有功转移电 流参考量进行叠加,得到RPC两侧变流器的实际参考电流i' a、i' e。直流电压的维持功 率一般有整流侧提供,即两个变流器中哪个工作在整流状态就要进行参考电流的叠加。参 考电流由转移电流加上直流电容维持电流,得到控制信号后由DSP产生相应的PWM脉冲控 制变流器,实现要求的电流(有功)转移。
[0067] 电流的参考信号是由主控制单元PLC产生的,PLC采集到两侧的电流后转换成模 拟信号输入到RPC控制集成电路板(核心为DSP)中,电路板由编程及硬件逻辑完成直流电 压维持电流的产生及叠加工作。进行电流滞环比较跟踪控制,发出所要求的PWM脉冲。 [0068] 本混合式负序补偿系统集计算、发脉冲、控制于一体。谐波含量低、动态响应速度 快、降低装置成本。控制系统合理稳定、响应快,算法运行速度快、准确无误。
[0069] 对于电气化铁路这个负载极不平衡的场合具有很好的应用前景。
[0070] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1. 一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征在于,基于一种电气化 铁路无功负序电流混合式协同控制装置,包括并联在两负载侧用于补偿无功及负序的两个 SVC装置、设置在两负载侧同时经两个降压变压器并联用于吸收和发出有功和无功的RPC 装置、分别设置在两负载侧的两组用于检测电流以及电压的CT采集装置和PT采集装置、与 两组CT采集装置和PT采集装置连接的PLC及扩展模块、与PLC及扩展模块连接用于控制 RPC装置的RPC控制装置、与PLC及扩展模块连接的用于给SVC装置脉冲信号的脉冲处理装 置、以及用于控制SVC装置并与脉冲处理装置连接的触发装置;所述SVC装置均包括一个固 定电容FC以及与固定电容FC并联的一个电抗器MCR,所述触发装置为晶闸管,并与电抗器 MCR连接;该电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置还包括一个SVC装置,一端与一 个负载侧连接,另一端与另一个负载侧连接,这两个SVC装置与所述脉冲处理装置连接; 该协同控制方法是将两负载侧的电压不平衡度补偿到0,而功率因数补偿到1,即完全 补偿,包括以下步骤: 步骤1,两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号,并将 其送至PLC及扩展模块; 步骤2, PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率;然后经 PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量,转换成相应的控制角度通过脉冲处 理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。
2. 根据权利要求1所述的一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征 在于,所述的步骤2中,定义RPC装置容量为S,有功功率的转移为a,两负载侧相间为ca、 be以及两负载侧之间相间为ab,转移容量后,两侧的有功功率为x-a、y+a,三个相间即ca、 be、ab相间的有功分别为x-a、y+a、0,根据X、y以及a之间的关系选择执行以下步骤: 选择步骤1,将两负载侧相间为ca、be以及两负载侧之间相间ab分为三个部分:部分 一为三个相间负载为a、a、0 ;部分二为三个相间负载为y、y、0 ;部分三为三个相间负载为 x-y-2a、0、0 ;当x>y+2a,部分一的有功RPC转移部分相等,在ca侧加电容性无功、be侧加 以电感性无功,其值都为则得到PRC的总容量S= 士2+(a/>/J)2 = ,;部分 二利用SVC装置进行补偿,补偿方法采用Steinmetz理论,理论内容是在负载相间的后两 个相间分别加以容性和感性的无功,值均为l/士倍的有功负载功率,即在ca相间和be相 间投以容性无功和感性无功部分三利用Steinmetz理论,在ab相间、be相间 分别投以容性和感性的大小都为无功功率;三部分的有功都完全补偿掉 了,所用到的总容量之和为2(;x - a )/凡 选择步骤2,在y+2a>X>y时,两侧的有功可以分为两个部分,部分一:能用RPC装置补 偿的部分,三个相间分别为7¾?0、〇 ;部分二:剩下的功率在负载两侧也是相等的, 三个相间有功分别为卜+ _>,)/2 - 、(X + 、0,即转移(x-y)/2,转移之后两 侧的功率值都为(x+y) /2,此时RPC装置能提供的ρ = ^Js2_(x + yf/4,部分一用RPC补 偿掉,部分二利用MCR+FC加以补偿,在ca和be相间分别投以大小相等为(^ +彳)/2々- 容性无功和感性无功,所用的总容量为(X + - 20 + S。
3. -种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征在于,基于一种电气化 铁路无功负序电流混合式协同控制装置,包括并联在两负载侧用于补偿无功及负序的两个 SVC装置、设置在两负载侧同时经两个降压变压器并联用于吸收和发出有功和无功的RPC 装置、分别设置在两负载侧的两组用于检测电流以及电压的CT采集装置和PT采集装置、与 两组CT采集装置和PT采集装置连接的PLC及扩展模块、与PLC及扩展模块连接用于控制 RPC装置的RPC控制装置、与PLC及扩展模块连接的用于给SVC装置脉冲信号的脉冲处理装 置、以及用于控制SVC装置并与脉冲处理装置连接的触发装置;所述SVC装置均包括一个固 定电容FC以及与固定电容FC并联的一个电抗器MCR,所述触发装置为晶闸管,并与电抗器 MCR连接;该电气化铁路无功负序电流混合式协同控制装置还包括一个SVC装置,一端与一 个负载侧连接,另一端与另一个负载侧连接,该SVC装置与所述脉冲处理装置连接; 该协同控制方法是将功率因数补偿到0. 95以上、电压不平衡度补偿95%概率值为 2 %,短时不得超过4 %,即优化补偿,包括以下步骤: 步骤1,两负载侧CT采集装置和PT采集装置分别测量两负载侧的电流电压信号,并将 其送至PLC及扩展模块; 步骤2, PLC及扩展模块根据RPC的实际容量计算出RPC装置所需转移的功率;然后经 PLC及扩展模块的计算得到SVC装置中MCR的发出容量,转换成相应的控制角度通过脉冲 处理装置给触发装置触发信号来调节MCR的输出容量。
4. 根据权利要求3所述的一种电气化铁路无功负序电流混合式协同控制方法,其特征 在于,所述步骤2的具体补偿方法如下:建立优化补偿方程如下式所示: minf (Qbc,Qab, QJ = Qbc-Qab-Qca s. t. Qab+Qbc+Qca+Ql^ 〇 S1-U <0 COSC9-C > 0 式中,f为最小补偿容量方程,Qab义。、9。3分别为各相间所需的无功容量,前面加负号的 Sd 表示为容性,S1S电流不平衡度,与电压不平衡度的关系为COSCj5为功率因 数值,μ和C分别为电流不平衡度和功率因数的限值,其中第二个式子表示总的无功不能 呈现容性以避免产生过电压; 用Langrange函数法解这个方程可以得到最优化解如下:
Figure CN102790400BC00041
式中的1\是负载侧的有功功率,从而得了优化补偿各相间所需要补偿的容量,这种方 法可以大大地减小补偿装置的容量,其减小的容量为:
Figure CN102790400BC00042
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