CN103337877B - 一种用于风力发电系统的直流电压控制单元及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于风力发电系统的直流电压控制单元,该直流电压控制单元包括机侧控制器、网侧控制器和直流电压控制器,其中直流电压控制器用于对直流电压信号以及电网频率信号予以采集,根据采集信号计算相应的有功电流指令信号和电磁转矩补偿信号,然后将其分别输出至网侧控制器和机侧控制器;机侧控制器采集发电机转速信号及其定子电流信号,并结合电磁转矩补偿信号相应调整机侧变换器的驱动信号;网侧控制器采集电网电压和电流信号,并结合有功电流指令信号相应调整网侧变换器的驱动信号。本发明还公开了相应的直流电压控制方法。通过本发明,能够增强直流电压的小干扰稳定性,保证系统故障穿越能力。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域,更具体地,涉及一种用于风力发电系统的直流电压控制单元及方法。
背景技术
风力发电系统主要包括风力机、将风力机的机械能转换为电能的发电机、用于将发电机所输出的交流电压转变为直流电压的机侧变换器、与机侧变换器电气相连并用于存储电能的直流电容器,以及用于将直流电压转变为交流电压的网侧变换器等。其中,为了实现对风机直流电压的稳定控制,通常采用了机侧控制器或网侧控制器对其进行控制。目前利用网侧控制器控制直流电压的方法获得了广泛的应用,该方法中,由直流电压的检测值和指令值的误差经控制器形成网侧变换器的有功电流指令值,网侧控制器根据有功电流指令值,输出相应的有功电流;当直流电压变化时,根据检测到的直流电压的误差,来控制风机向电网输送的有功功率。基于机侧控制器控制直流电压的方法在文献中研究较多,但在实际应用中还不够广泛;该方法是由直流电压的指令值与检测值的误差经控制器形成机侧变换器的有功电流指令值,然后根据有功电流指令值,由发电机输出相应的有功电流;当直流电压变化时,根据检测到的直流电压的误差,来控制机侧变换器向直流电容器输出的有功功率。
US2011/0140438A1中公开了一种风机的直流电压控制方法,其中所披露的第一种方式是通过网侧控制器对直流电压进行控制,并通过机侧控制器对发电机电磁转矩进行控制;第二种方式是通过机侧控制器对直流电压进行控制,并通过网侧控制器对发电机电磁转矩进行控制。US7692321B2中也公开了一种通过机侧控制器对直流电压进行控制的方法,与之前不同的是这种方法采集了发电机转速信号,网侧控制器对发电机转速进行控制。
上述基于网侧控制器控制直流电压的方案在小干扰下对直流电压具备良好的稳定性效果,但是在电网发生故障时,网侧变换器向电网输出有功功率功率减小,而机侧变换器向直流电容器输出的有功功率不变,相应导致直流电压上升,不利于系统的故障穿越。上述基于机侧控制器控制直流电压的方案的优点在于可以利用风力机转子惯性,使发电机转速能够响应电网频率变化;而且在电网发生故障时,网侧变换器向电网输出有功功率减小,此时可以控制机侧变换器减少向直流电容器输送功率,以减缓直流电压的上升。但是在稳态下,直流电压的小干扰稳定性仍有待改善。因此,在相关领域中亟需寻找更为完善的直流电压控制方案,以解决上述实际问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种用于风力发电系统的直流电压控制单元及方法,其中通过对影响风力发电系统直流电压稳定性的关键因素进行分析,并基于机侧和网侧控制器来协同执行直流电压控制过程,相应可克服仅采用机侧或网侧控制器所存在的不足,增强直流电压的小干扰稳定性,保持系统良好的故障穿越能力,并尤其适用于电网发生故障时的应用场合。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种用于风力发电系统的直流电压控制单元,该风力发电系统包括风力机、将风力机的机械能转换为电能的发电机、用于将发电机所输出的交流电压转变为直流电压的机侧变换器、与机侧变换器电气相连并用于存储电能的直流电容器,以及用于将直流电容器的直流电压转变为交流电压并输送至电网的网侧变换器,其特征在于,所述直流电压控制单元包括对应于机侧变换器而设置的机侧控制器、对应于网侧变换器而设置的网侧控制器,以及分别与机侧控制器和网侧控制器信号连接的直流电压控制器,其中:
所述直流电压控制器用于对直流电容器的直流电压信号以及电网的频率信号分别予以实时采集,根据这两种信号计算得出相应的有功电流指令信号和电磁转矩补偿信号,然后将有功电流指令信号输出至网侧控制器,同时将电磁转矩补偿信号输出至机侧控制器;
所述机侧控制器用于实时采集发电机的转速信号及其定子三相电流信号,并结合所接收的电磁转矩补偿信号,相应调整机侧变换器的驱动信号;所述网侧控制器用于实时采集电网的三相电压信号及其所输出的三相电流信号,并结合所接收的有功电流指令信号,相应调整网侧变换器的驱动信号。
作为进一步优选地,所述直流电压控制器包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器和加法器,其中:
第一控制器用于实时采集直流电容器的直流电压值,并基于该采集值和预先设定的第一直流电压指令值来计算得出第一电磁转矩补偿指令值,然后将其输出至加法器;
第二控制器用于实时采集直流电容器的直流电压值,并基于该采集值和预先设定的第二直流电压指令值来计算得出第二电磁转矩补偿指令值,然后将其输出至加法器;
第三控制器用于实时采集直流电容器的直流电压信号以及电网的频率信号,并基于这些采集值和预先设定的第一直流电压指令值来计算得出第三电磁转矩补偿指令值,然后将其输出至加法器;
加法器根据所接收的第一、第二和第三电磁转矩补偿指令值执行求和处理,然后将求和处理后所获得的电磁转矩补偿信号输出至机侧控制器;
第四控制器用于实时采集直流电容器的直流电压信号,并基于该采集值和预先设定的第一直流电压指令值来计算得出有功电流指令信号,然后将其直接输出至网侧控制器。
作为进一步优选地,对于第一、第二和第四控制器而言,它们各自包括减法器、PI控制器和限幅器,其中减法器用于将对应的直流电压指令值与实时采集的直流电压信号相减以获得差值,PI控制器用于对该差值进行调节处理并获得初步的电磁转矩补偿指令值,限幅器用于对初步的电磁转矩补偿指令值执行限幅处理,由此获得最终输出的电磁转矩补偿指令值;
第三控制器包括减法器、PI控制器、限幅器和信号选择器,其中减法器用于将第一直流电压指令值与实时采集的直流电压信号相减以获得差值,PI控制器用于对该差值进行调节处理并获得初步的电磁转矩补偿指令值,限幅器用于对初步的电磁转矩补偿指令值执行限幅处理;信号选择器用于根据电网的频率信号,从限幅处理后的电磁转矩补偿指令值和零信号中选择其一,并将其作为最终输出的第三电磁转矩补偿指令值。
作为进一步优选地,所述网侧控制器包括锁相环、网侧电流控制器和网侧驱动信号生成器,其中锁相环用于接收电网的三相电压信号,并根据这些电压信号计算得出电网的电压相位信号;网侧电流控制器用于接收风机输出三相电流信号、锁相环计算得出的电压相位信号以及所述有功电流指令信号,并根据这些信号计算得出调制信号;网侧驱动信号生成器用于接收所述调制信号,相应生成对网侧变换器进行调制的驱动信号。
作为进一步优选地,所述锁相环的控制带宽被设定为小于10Hz。
作为进一步优选地,所述风力发电系统为全功率风力发电系统或双馈风力发电系统。
按照本发明的另一方面,还提供了相应的直流电压控制方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
(a)对风力发电系统中直流电容器的直流电压信号以及输送电网的频率信号分别予以实时采集,根据这两种信号计算得出相应的有功电流指令信号和电磁转矩补偿信号,然后将有功电流指令信号输出至对应网侧变换器而设置的网侧控制器,同时将电磁转矩补偿信号输出至对应机侧变换器而设置的机侧控制器;
(b)通过机侧控制器实时采集发电机的转速信号及其定子三相电流信号,并结合所接收的电磁转矩补偿信号,相应调整机侧变换器的驱动信号;与此同时,通过网侧控制器实时采集电网的三相电压信号及风机输出的三相电流信号,并结合所接收的有功电流指令信号,相应调整网侧变换器的驱动信号。
总体而言,按照本发明的直流电压控制单元与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:
1、通过对影响风力发电系统直流电压稳定性的关键因素进行分析,并引入电网频率信号和直流电压信号一同来确定对机侧变换器的控制参数,相应能够有效增强直流电压的小干扰稳定性;
2、通过对按照本发明的直流电压控制单元的整体组成构造进行设计,即便当电网发生故障时,也能有效维持直流电压的恒定,避免直流电容器的损坏,并保持系统良好的故障穿越能力;
3、通过对电网频率和直流电压信号执行实时检测和后续处理,相应可使得风力发电系统的输出功率能够响应电网频率的变化,对电网表现出一定的惯性,从而有利于风机在弱电网环境下的运行。
附图说明
图1是按照本发明的直流电压控制单元的整体原理示意图;
图2是按照本发明优选实施例的直流电压控制器的构造示意图;
图3是按照本发明优选实施例的第一控制器的构造示意图;
图4是按照本发明优选实施例的第二控制器的构造示意图;
图5是按照本发明优选实施例的第三控制器的构造示意图;
图6是按照本发明优选实施例的第四控制器的构造示意图;
图7是按照本发明优选实施例的网侧控制器的构造示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的直流电压控制单元的整体原理示意图。如图1中所示,按照本发明的直流电压控制单元的应用对象譬如为全功率风力发电系统,如同本领域所熟知地,该风力发电系统包括风力机21、将风力机21的机械能转换为电能的发电机23(风力机21与发电机23还配置有执行机械耦合并传递机械能的齿轮箱22)、用于将发电机23所输出的交流电压转变为直流电压的机侧变换器31、与机侧变换器31电气相连并用于存储电能的直流电容器32,以及用于将直流电容器32的直流电压转变为交流电压并输送至电网36的网侧变换器33。此外,该风力发电系统还可以包括用于对网侧变换器33所输出的交流电压执行滤波处理的滤波器34,等等。
按照本发明所构建的直流电压控制单元包括对应于机侧变换器31而设置的机侧控制器5、对应于网侧变换器33而设置的网侧控制器7,以及分别与机侧控制器5和网侧控制器7信号连接的直流电压控制器6。具体而言,直流电压控制器6用于对直流电容器32的直流电压信号Udc以及电网36的频率信号fgrid分别予以实时采集,根据这两种信号计算得出相应的有功电流指令信号id *和电磁转矩补偿信号Tc *,然后将有功电流指令信号id *输出至网侧控制器7,同时将电磁转矩补偿信号Tc *输出至机侧控制器5。所述机侧控制器5用于实时采集发电机23的转速信号ωg及其定子三相电流信号ia1、ib1、ic1,并结合所接收的电磁转矩补偿信号Tc *,相应调整机侧变换器的驱动信号,也就是说机侧变换器中的开关器件得到相应控制,从而使得发电机的转速可控,让发电机的机械能可以根据直流电压控制需要引入到直流电容器32中。此外,所述网侧控制器7用于实时采集电网的三相电压信号ua2、ub2、uc2及风机输出的三相电流信号ia2、,ib2、ic2,并结合所接收的有功电流指令信号id *,相应调整网侧变换器的驱动信号,也就是说网侧变换器中的开关器件得到相应控制,从而使得风机向电网输出的功率可控,并将直流电容器中的电能传输到电网。
通过以上构思,与现有技术中的仅根据直流电容器的电压信号来执行控制的方式相比,本发明中引入电网频率信号和直流电压信号一同来计算有功电流指令信号和电磁转矩补偿信号,并将其分别输出至机侧和网侧控制器中来共同确定对机侧和网侧变换器的控制,相应能够考虑到实际场合下直流电压的小扰动状态,并将其作为参考因素体现在对电流、电压的控制过程中,由此有效增强直流电压的小干扰稳定性;此外,当电网发生故障时,可能发生直流电压瞬间升高甚至导致直流电容器损坏的情况,此时由于在整个控制过程中对直流电压执行实时检测,并当直流电压高于一定阈值时可产生电磁转矩补偿指令,相应能够维持直流电压的恒定,避免电容的损坏,从而保持系统较好的故障穿越能力;此外,由于对电网频率和直流电压信号执行检测和后续运算,使风机输出功率响应电网频率的变化,对电网表现出一定的惯性。
按照本发明的一个优选实施方式,如图2中所示,所述直流电压控制器6优选包括第一控制器61、第二控制器62、第三控制器63、第四控制器64和加法器68,其中第一控制器61用于实时采集直流电容器32的直流电压值Udc,并基于该采集值和预先设定的第一直流电压指令值Udc1 *来计算得出第一电磁转矩补偿指令值T1 *,然后将该T1 *作为输出信号输出至加法器68;第二控制器62用于实时采集直流电容器32的直流电压值Udc,并基于该采集值和预先设定的第二直流电压指令值Udc2 *来计算得出第二电磁转矩补偿指令值T2 *,然后将其输出至加法器68;第三控制器63用于实时采集直流电容器32的直流电压信号Udc以及电网的频率信号fgrid,并基于这些采集值和预先设定的第一直流电压指令值Udc1 *来计算得出第三电磁转矩补偿指令值T3 *,然后将其输出至加法器68;加法器68则根据所接收的第一、第二和第三电磁转矩补偿指令值执行求和处理,然后将求和处理后所获得的电磁转矩补偿信号Tc *输出至机侧控制器5;此外,第四控制器64用于实时采集直流电容器32的直流电压信号Udc,并基于该采集值和预先设定的第一直流电压指令值Udc1 *来计算得出有功电流指令信号id *,然后将其直接输出至网侧控制器7。
更具体地,下面将参照图3至图6来进一步具体描述上述第一至第四控制器的优选构造方式。
如图3中所示,所述第一控制器61优选包括第一减法器611,第一PI控制器613和第一限幅器615。第一直流电压指令值Udc1 *和实时检测的直流电压信号Udc输入到第一减法器611中,直流电压指令值Udc1 *减去直流电压信号Udc得到差值612;将差值612输入到第一PI控制器613执行调节处理中,得到初步的电磁转矩补偿指令值614。将该电磁转矩补偿指令值614输入到第一限幅器615中,得到第一电磁转矩补偿指令值T1 *。其中第一限幅器的最高限幅值可设定为发电机23额定电磁转矩的1.2倍,最低限幅值为发电机23额定电磁转矩的-1.2倍。
如图4中所示,所述第二控制器62优选包括第二减法器621,第二PI控制器623和第二限幅器625。第二直流电压指令值Udc2 *和实时检测的直流电压信号Udc输入到第二减法器621中,直流电压指令值Udc2 *减去直流电压信号Udc得到差值622;将差值622输入到第二PI控制器623执行调节处理中,得到初步的电磁转矩补偿指令值624。将该电磁转矩补偿指令值624输入到第二限幅器625中,得到第二电磁转矩补偿指令值T2 *。其中第二限幅器的最高限幅值可设定为0,最低限幅值为发电机23额定电磁转矩的-1.2倍。此外,为了实现实际的控制过程,优选将第二直流电压指令值Udc2 *设定为略大于第一直流电压指令值,且低于直流电容器32的耐受值。
如图5中所示,所述第三控制器63优选包括第三减法器631,第三PI控制器633,第三限幅器635和信号选择器637。第一直流电压指令值Udc1 *和实时检测的直流电压信号Udc输入到第三减法器中,第一直流电压指令值Udc1 *减去直流电压信号Udc得到差值632;将差值632输入到第三PI控制器633执行调节处理中,得到初步的电磁转矩补偿指令值634。将该电磁转矩补偿指令值634输入到第三限幅器635中,得到电磁转矩补偿指令值636。电磁转矩补偿指令值636、电网频率fgrid、“0”参考值输入到信号选择器637中,相应根据电网频率的状态来输出不同的电磁转矩补偿指令值T3 *,其中当电网频率发生变化时,信号选择器输出电磁转矩补偿指令值636,而当电网频率不变时,信号选择器输出“0”参考值。其中该第三限幅器的最高限幅值可设定为发电机23额定电磁转矩的1.2倍,最低限幅值为发电机23额定电磁转矩的-1.2倍。
如图6中所示,所述第四控制器64优选包括第四减法器641,第四PI控制器643和第四限幅器645。第一直流电压指令值Udc1 *和实时检测的直流电压信号Udc输入到第四减法器641中,直流电压指令值Udc1 *减去直流电压信号Udc得到差值642;将差值642输入到第四PI控制器643执行调节处理中,得到初步的有功电流参考值644。将该有功电流参考值644输入到第四限幅器645中,得到将用于输出至网侧控制器7的有功电流指令信号id *。其中第四限幅器的最高限幅值可设定为网侧变换器额定电流值的1.2倍,最低限幅值为网侧变换器额定电流值的-1.2倍。
通过以上对直流电压控制器的具体构造的设计,当系统受到小干扰信号影响时,第一控制器61检测直流电压的变化来输出一个电磁转矩的补偿指令T1 *,对原电磁转矩指令T0 *进行补偿,从而阻止直流电压的变化,对直流电压振荡起阻尼作用。当电网产生故障时,直流电压升高超过设定值Udc2 *时,第二控制器62检测直流电压的变化来输出一个电磁转矩的补偿指令T2 *,对原电磁转矩指令T0 *进行补偿,减小机侧功率注入到直流电容器32中,阻止直流电压的上升。此外当电网频率变化时,第三控制器63检测直流电压的变化来输出一个电磁转矩的补偿指令T3 *,对原电磁转矩指令T0 *进行补偿,引入风机转子的惯性,对电网频率起支撑作用。第四控制器64则检测直流电压的变化来输出有功电流参考值。
图7是按照本发明优选实施例的网侧控制器的构造示意图。如图7中所示,网侧控制器7包括网侧电流控制器71、网侧驱动信号生成器72和锁相环76。锁相环76譬如包括坐标变换器763、积分器761、第五减法器765、第五PI控制器767。网侧控制器7的输入信号是电网三相电压ua2、ub2、uc2和风机输出三相电流ia2、ib2、ic2以及有功电流指令信号id *,输出信号是网侧变换器驱动信号70。锁相环76的输入信号是电网三相电压ua2、ub2、uc2,输出信号是电网电压的相位角762。电网电压的相位角762和电网三相电压ua2、ub2、uc2输入到坐标变换器763中,得到q轴电网电压764。“0”参考信号和q轴电网电压764输入到第五减法器765,得到“0”参考信号减去q轴电网电压764的差值766。差值766输入到第五PI控制器767中,得到电网电压频率信号768。将电网电压频率信号768输入到积分器761中,得到电网电压的相位角762。风机输出三相电流ia2、ib2、ic2,有功电流指令信号id *和电网电压相位角762输入到网侧电流控制器71中,得到调制信号73。调制信号73输入到网侧驱动信号生成器72,得到网侧变换器驱动信号70。
此外,锁相环76的带宽可设定为比较小,小于10Hz。这样当电网的频率产生机电时间尺度的小信号扰动时,直流电压Udc上会产生相应频率的响应。锁相环76的带宽与速度环带宽相近时,速度环也能够响应这个频率的扰动。在这个过程中,第三控制器63检测直流电压的变化来输出一个电磁转矩的补偿指令T3 *,对原电磁转矩指令T0 *进行补偿。电磁转矩控制在机电的时间尺度内,通过增加或降低转速将转子上的机械能增大或者减小,从而阻尼直流电压相应频率的振荡。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明。本发明不仅可以用于全功率风力发电系统,也可以用于双馈风力发电系统。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于风力发电系统的直流电压控制单元,该风力发电系统包括风力机、将该风力机的机械能转换为电能的发电机、用于将该发电机所输出的交流电压转变为直流电压的机侧变换器、与该机侧变换器电气相连并用于存储电能的直流电容器,以及用于将该直流电容器的直流电压转变为交流电压并输送至电网的网侧变换器,其特征在于,所述直流电压控制单元包括对应于所述机侧变换器而设置的机侧控制器、对应于所述网侧变换器而设置的网侧控制器,以及分别与所述机侧控制器和所述网侧控制器信号连接的直流电压控制器,其中:
所述直流电压控制器用于对所述直流电容器的直流电压信号以及电网的频率信号分别予以实时采集,根据这两种信号计算得出相应的有功电流指令信号和电磁转矩补偿信号,然后将所述有功电流指令信号输出至所述网侧控制器,同时将电磁转矩补偿信号输出至所述机侧控制器;此外,所述直流电压控制器包括第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器和加法器,其中该第一控制器用于实时采集所述直流电容器的直流电压值,并基于该采集值和预先设定的第一直流电压指令值来计算得出第一电磁转矩补偿指令值,然后将其输出至所述加法器;该第二控制器用于实时采集所述直流电容器的直流电压值,并基于该采集值和预先设定的第二直流电压指令值来计算得出第二电磁转矩补偿指令值,然后将其输出至所述加法器;该第三控制器用于实时采集所述直流电容器的直流电压信号以及电网的频率信号,并基于这些采集值和所述第一直流电压指令值来计算得出第三电磁转矩补偿指令值,然后将其输出至所述加法器;该加法器根据所接收的第一电磁转矩补偿指令值、第二电磁转矩补偿指令值和第三电磁转矩补偿指令值执行求和处理,然后将求和处理后所获得的电磁转矩补偿信号输出至所述机侧控制器;该第四控制器用于实时采集所述直流电容器的直流电压信号,并基于该采集值和所述第一直流电压指令值来计算得出有功电流指令信号,然后将其直接输出至所述网侧控制器;
所述机侧控制器用于实时采集所述发电机的转速信号及其定子三相电流信号,并结合所接收的电磁转矩补偿信号,相应调整所述机侧变换器的驱动信号;
所述网侧控制器用于实时采集所述电网的三相电压信号及所述风力发电系统输出的三相电流信号,并结合所接收的有功电流指令信号,相应调整所述网侧变换器的驱动信号。
2.如权利要求1所述的直流电压控制单元,其特征在于,对于所述第一控制器、第二控制器和第四控制器而言,它们的结构相同并各自包括减法器、PI控制器和限幅器,其中该减法器用于将对应的直流电压指令值与实时采集的直流电压信号相减以获得差值;该PI控制器用于对所述差值进行调节处理并获得初步的电磁转矩补偿指令值;该限幅器用于对所述初步的电磁转矩补偿指令值执行限幅处理,由此获得最终输出的电磁转矩补偿指令值;
所述第三控制器包括减法器、PI控制器、限幅器和信号选择器,其中该减法器用于将所述第一直流电压指令值与实时采集的直流电压信号相减以获得差值;该PI控制器用于对所获得的差值进行调节处理,并获得初步的电磁转矩补偿指令值;该限幅器用于对此初步的电磁转矩补偿指令值执行限幅处理;信号选择器用于根据电网的频率信号,从限幅处理后的电磁转矩补偿指令值和零信号中选择其一,并将其作为最终输出的第三电磁转矩补偿指令值。
3.如权利要求1所述的直流电压控制单元,其特征在于,所述网侧控制器还包括锁相环、网侧电流控制器和网侧驱动信号生成器,其中该锁相环用于接收所述电网的三相电压信号,并根据这些电压信号计算得出电网电压的相位信号;该网侧电流控制器用于接收所述风力发电系统输出的三相电流信号、所述锁相环计算得出的电压相位信号以及所述有功电流指令信号,并根据这些信号计算得出调制信号;该网侧驱动信号生成器用于接收所述调制信号,相应生成对所述网侧变换器进行调制的驱动信号。
4.如权利要求3所述的直流电压控制单元,其特征在于,所述锁相环的控制带宽被设定为小于10Hz。
5.如权利要求1-4任意一项所述的直流电压控制单元,其特征在于,所述风力发电系统为全功率风力发电系统或双馈风力发电系统。
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