CN103618335A - 一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,该方法包括以下步骤:获取三相电网的三相电压信号和逆变器输出端的三相电流信号;确定三相电网电压的dq轴直流分量和同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分;获取光伏阵列输出电压和光伏阵列输出电流;判断三相电网电压是否跌落;当三相电网电压正常时获取逆变器的d轴参考电流;当三相电网电压发生跌落时获取逆变器的d轴参考电流;运用PI调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲;运用PID调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲。该方法是适用于三相电网对称跌落的动态响应快速平滑且稳定性好的光伏并网逆变器低电压穿越控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏发电系统控制技术领域的方法,具体讲涉及一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法。
背景技术
低电压穿越能力是风电、光伏等分布式发电系统重要的并网指标之一,对电网的安全稳定运行具有重要意义。尽管国内外学者对风电场的相关标准、控制技术以及测试装置等进行了研究,取得了一定的科研和产业成果;丹麦、德国等风力发电大国相继制定了新的电网运行准则,要求风电系统具有低电压穿越能力,然而对于光伏系统而言,我国目前尚未出台光伏并网的国家标准,仅国家电网公司在其制定的企业标准《光伏电站接入电网技术规定》(Q/GDW618-2011)中对大中型光伏电站的低电压穿越进行了一定的规范,同时国内通过低电压穿越测试,尤其是零电压穿越测试的光伏并网逆变器还只是较少部分,而国内光伏产业发展迅速,截至2010年底我国并网光伏发电装机容量已达到90万千瓦,预计2020年装机总量将达到2000万-5000万千瓦,这给光伏并网关键技术的研究,尤其是光伏低电压穿越控制技术的研发带来了极大压力。
目前光伏并网逆变器在进行低电压穿越测试,尤其是零电压穿越测试时,主要存在两个方面的问题:1、电网电压跌落及恢复瞬间,由于光伏并网逆变器直流母线电压的动态控制性能变差导致直流母线电压振荡,甚至进一步导致控制系统失稳,逆变器不得不与电网解列;2、电网电压跌落及恢复瞬间,尤其在三相电网电压发生对称跌落至零电压的最严重故障时,逆变器由于来不及将积累在逆变器中的能量平稳地输送给电网而导致逆变器输出的三相电流出现较大尖峰或者振荡,一旦超过逆变器电流保护阈值而与电网解列,不能实现低电压穿越故障期间的不脱网运行这一基本技术指标,即低电压穿越测试失败。
因此,需要提供一种适用于三相电网对称跌落的动态响应快速平滑且稳定性好的光伏并网逆变器低电压穿越控制方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明提供一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,该方法是适用于三相电网对称跌落的动态响应快速平滑且稳定性好的光伏并网逆变器低电压穿越控制方法。
实现上述目的所采用的解决方案为:
一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其改进之处在于:所述方法包括以下步骤:
I、获取三相电网的三相电压信号和逆变器输出端的三相电流信号;
II、确定三相电网电压的dq轴直流分量和同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分;
III、获取光伏阵列输出电压和光伏阵列输出电流;
IV、判断三相电网电压是否跌落;
V、当三相电网电压正常时获取逆变器的d轴参考电流;
VI、当三相电网电压发生跌落时获取逆变器的d轴参考电流;
VII、运用PI调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲;
VIII、运用PID调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲。
进一步的,所述步骤II中,根据所述三相电压信号和所述三相电流信号分别确定三相电网电压的dq轴直流分量和同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分,包括:
根据所述三相电压信号运用锁相环PLL方法确定电网电压矢量旋转角度θ,根据所述电网电压矢量旋转角度和所述三相电压信号确定三相电网电压的d、q轴直流分量ed、eq;
根据所述逆变器输出端的三相电流信号和所述电网电压矢量旋转角度进行dq旋转矢量变换,确定同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分id、iq。
进一步的,所述步骤IV包括:判断三相电网电压是否跌落,若所述三相电网电压正常则进入步骤V,若所述三相电网电压跌落则进入步骤VI。
进一步的,所述步骤V包括以下步骤:
S501、若所述三相电网电压正常,根据所述光伏阵列输出电压和所述光伏阵列输出电流,运用最大功率跟踪MPPT方法确定光伏阵列最大功率点参考电压;
S502、将所述光伏阵列输出电压和所述光伏阵列最大功率点参考电压的差值进行电压比例积分PI调节器后获得电流id1;
S503、将所述电流id1赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref;为使逆变器输出电流与电网电压同相位,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤VII。
进一步的,所述步骤VI包括:
若所述三相电网电压发生对称跌落,则锁存跌落时刻的光伏阵列输出电压upv及上一采样时刻的电流id1,并在跌落期间一直将此锁存的id1与系数k相乘后的电流锁存值id2赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,k取值范围为0.5至1;设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤VIII;
若三相电网电压从跌落状态重新恢复正常,恢复时刻将所述电压锁存值upv赋值给光伏阵列最大功率点参考电压,返回步骤S502。
进一步的,所述步骤VII包括以下步骤:
S701、所述逆变器输出的d轴参考电流和所述电流id的差值经过第一电流比例积分PI调节器后,与q轴交叉耦合项-wLiq和所述三相电网电压的d轴直流分量ed相加得到ud;
S702、将逆变器输出的q轴参考电流和所述电流iq的差值经过第二电流比例积分PI调节器后,与d轴交叉耦合项wLid和所述三相电网电压的q轴直流分量eq相加得到uq,其中,w为三相电网电压的角频率,L为逆变器中并网滤波器的滤波电感;
S703、所述电网电压矢量旋转角度θ将ud和uq进行派克Park逆变换,获得二相静止坐标系下的uα和uβ;运用空间矢量脉宽调制SVPWM方法,经数字信号处理器处理获得6路脉宽调制脉冲,返回步骤IV继续监测。
进一步的,所述步骤VIII包括以下步骤:
S801、所述逆变器输出的d轴参考电流和所述电流id的差值经过第一电流比例积分PID调节器后,与q轴交叉耦合项-wLiq和所述三相电网电压的d轴直流分量ed相加得到ud1;
S802、将逆变器输出的q轴参考电流和所述电流iq的差值经过第二电流比例积分微分PID调节器后,与d轴交叉耦合项wLid和所述三相电网电压的q轴直流分量eq相加得到uq1,其中,w为三相电网电压的角频率,L为逆变器中并网滤波器的滤波电感;
S803、所述电网电压矢量旋转角度θ将ud1和uq1进行派克Park逆变换,获得二相静止坐标系下的uα1和uβ1;运用空间矢量脉宽调制SVPWM方法,经数字信号处理器处理获得6路脉宽调制脉冲,返回步骤IV继续监测。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明的方法动态响应快速平滑,由于在三相电网电压发生对称跌落时,锁存此跌落时刻的光伏阵列输出电压upv,且当检测出三相电网电压从跌落状态重新恢复正常时,再将此锁存的upv赋值给光伏阵列最大功率点参考电压uref,使直流母线电压在三相电网电压从跌落状态重新恢复正常时的动态过渡过程振荡较小,且很快衰减并收敛至稳定值,因此极大提高了直流母线电压外环的动态响应能力,使直流母线电压在三相电网电压从跌落状态重新恢复正常时的动态过渡过程更加平滑,减小对直流母线电容的冲击,提高直流母线电容的使用寿命。
(2)本发明方法稳定性好,且调节灵活,可充分兼顾故障期间的能量效率和系统的稳定性,即从故障期间能量效率最大方面考虑,可优先考虑设置k=1,实现在三相电网电压发生对称跌落至零电压的最严重故障时,单级三相光伏并网逆变器仍能稳定地向三相电网输送与电网未发生故障时同样大小的三相电流,保证在故障穿越期间仍然向电网输送尽可能多的功率;当然也可根据现场实际调试的系统稳定情况,在0.5至1的取值范围内灵活改变k的设定值,即可通过适当降低故障期间光伏并网逆变器输入到电网的三相电流的大小,充分保障电网电压对称跌落期间光伏并网逆变器能稳定并网运行。
(3)本发明方法故障响应速度快,由于当监测到三相电网电压发生跌落时,本发明方法快速在正常并网运行工况下的PI调节器基础上增加D调节器,即运用PID调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲,通过此D调节器的引入极大地提高了系统在故障发生及恢复时刻的快速响应性能,有效抑制了故障瞬间的电流尖峰。
附图说明
图1为典型单级三相光伏并网逆变器系统框图;
图2为光伏并网逆变器零电压穿越过程中关键波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1所示,图1为典型单级三相光伏并网逆变器系统框图;图中,光伏逆变器低电压穿越的控制器与待控制的光伏逆变器连接,依次获取所述光伏逆变器的信号值,运用上述方法对其进行低电压穿越的控制。光伏逆变器低电压穿越的控制器包括用于分析计算信号的处理器和用于分析获得6路脉宽调制脉冲的数字信号处理器DSP。光伏逆变器低电压穿越的控制器实现本发明提出的用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,该方法包括以下步骤:
步骤一、获取三相电网的三相电压信号和逆变器输出端的三相电流信号;
步骤二、根据三相电压信号和三相电流信号分别确定三相电网电压的dq轴直流分量和同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分;
步骤三、获取光伏阵列输出电压upv和光伏阵列输出电流ipv;
步骤四、判断三相电网电压是否跌落;
步骤五、当三相电网电压正常时获取逆变器的d轴参考电流;
步骤六、当三相电网电压发生跌落时获取逆变器的d轴参考电流;
步骤七、运用PI调节器根据逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲;
步骤八、运用PID调节器根据逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲。
步骤二中,根据三相电压信号运用锁相环PLL方法确定电网电压矢量旋转角度θ,根据电网电压矢量旋转角度和三相电压信号确定三相电网电压的d、q轴直流分量ed、eq;
根据逆变器输出端的三相电流信号和电网电压矢量旋转角度进行dq旋转矢量变换,确定同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分id、iq。
步骤三中,检测获取光伏阵列输出电压upv和光伏阵列输出电流ipv;
步骤四中,判断三相电网电压是否跌落,若三相电网电压正常则进入步骤五,若三相电网电压跌落则进入步骤六。
步骤五中,若三相电网电压正常,根据光伏阵列输出电压和光伏阵列输出电流,运用最大功率跟踪MPPT方法——扰动观察法确定光伏阵列最大功率点参考电压uref;
将光伏阵列输出电压和光伏阵列最大功率点参考电压uref的差值进行电压比例积分PI调节器后获得电流id1,其中,电流id1为获取d轴参考电流的中间变量;
将电流id1赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,且为使逆变器输出电流与电网电压同相位,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤七。
步骤六中,若三相电网电压发生对称跌落,则锁存此跌落时刻的上一采样时刻,如步骤五所得到的电流id1,获取此电流锁存值id1与系数k相乘后的值记为id2,0.5≤k≤1,且锁存此跌落时刻的由步骤三所得到的光伏阵列输出电压upv,记此电压锁存值为upv2;上述电流id1和电流id2均为获取d轴参考电流的中间变量;
若三相电网电压未从跌落状态恢复正常,则一直将电流锁存值id2赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤七;
若三相电网电压从跌落状态重新恢复正常,则在三相电网电压重新恢复时刻,将电压锁存值upv2赋值给光伏阵列最大功率点参考电压uref,将光伏阵列输出电压upv和光伏阵列最大功率点参考电压uref的差值进行电压比例积分PI调节器后获得电流id1;
将电流id1赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,且为使逆变器输出电流与电网电压同相位,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤七。即,如步骤五所述的方法获取逆变器的d轴参考电流。
步骤七中,逆变器输出的d轴参考电流和电流id的差值经过第一电流比例积分PI调节器后,与q轴交叉耦合项-wLiq和所述三相电网电压的d轴直流分量ed相加得到ud;
将逆变器输出的q轴参考电流和所述电流iq的差值经过第二电流比例积分PI调节器后,与d轴交叉耦合项wLid和所述三相电网电压的q轴直流分量eq相加得到uq,其中,w为三相电网电压的角频率,L为逆变器中并网滤波器的滤波电感;
电网电压矢量旋转角度θ将ud和uq进行派克Park逆变换,获得二相静止坐标系下的uα和uβ;运用空间矢量脉宽调制SVPWM方法,经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制脉冲,PWM1~PWM6,进入步骤五。
步骤八中,逆变器输出的d轴参考电流和所述电流id的差值经过第一电流比例积分PID调节器后,与q轴交叉耦合项-wLiq和所述三相电网电压的d轴直流分量ed相加得到d轴电压ud1;
将逆变器输出的q轴参考电流和所述电流iq的差值经过第二电流比例积分微分PID调节器后,与d轴交叉耦合项wLid和所述三相电网电压的q轴直流分量eq相加得到q轴电压uq1,其中,w为三相电网电压的角频率,L为逆变器中并网滤波器的滤波电感;
所述d轴电压ud1和所述q轴电压uq1为中间电压变量,电网电压矢量旋转角度θ将ud1和uq1进行派克Park逆变换,获得二相静止坐标系下的uα1和uβ1;运用空间矢量脉宽调制SVPWM方法,经数字信号处理器DSP处理得到6路脉宽调制脉冲PWM1~PWM6,返回步骤五。
实施例
如图2所示,图2为光伏并网逆变器零电压穿越过程中关键波形图;结合实时数字仿真仪RTDS(Real-Time Digital Simulator)采用本发明的单级三相光伏并网逆变器的低电压穿越控制方法对250kW单级三相光伏并网逆变器进行三相电网电压对称跌落下的仿真,给出三相电网电压对称跌落至零电压的仿真实例,对本发明作进一步的详细描述。
本实施例的系统拓扑结构及电网常时的系统控制框图如图1所示,采用的250kW光伏阵列标准环境条件(光照强度R=1kW/m2,环境温度T=25℃)下参数为:最大功率点电压Umax=455V,最大功率点电流Imax=545.6A,开路电压Uoc=650V,短路电流Isc=600A;系统电路参数为:直流母线电容器电容C=10000uF,并网滤波器的滤波电感L=0.4mH,并网滤波器的滤波电阻R=0.02Ω,仿真步长Ts=50μS;控制器参数为:系数k=1,电压比例积分PI调节器的比例系数和积分系数分别为0.06和0.25;第一电流比例积分PI调节器的比例系数和积分系数分别为1.2和1;第二电流比例积分PI调节器的比例系数和积分系数分别为1.2和1;第一电流比例积分微分PID调节器的比例系数、积分系数和微分系数分别为1.35、10和0.5;第二电流比例积分微分PID调节器的比例系数、积分系数和微分系数分别为1.35、10和0.5;三相电网电压的角频率w为314rad/s。
采用本发明方法的仿真效果如图2所示,由图可见:
1)由图2中逆变器输出端A、B、C三相电流信号ia、ib和ic可见,由于在三相电网电压整个对称跌落至零电压期间,一直采用比例积分微分PID调节器,通过引入此微分环节,很好地快速抑制了三相电网电压对称跌落瞬间所导致的三相并网电流的“尖峰”;另外,由图2中光伏阵列输出电压upv可见,由于在三相电网电压发生对称跌落时,锁存此跌落时刻的光伏阵列输出电压upv,且当检测出三相电网电压从跌落状态重新恢复正常时,再将此锁存的upv赋值给光伏阵列最大功率点参考电压uref,提高了直流母线电压外环的动态响应能力,使直流母线电压在三相电网电压从跌落状态重新恢复正常时的动态过渡过程振荡较小,且很快衰减并收敛至稳定值;
2)由图2中逆变器输出端A、B、C三相电流信号ia、ib和ic可见,由于检测出三相电网电压发生对称跌落时,锁存此跌落时刻的上一采样时刻的电流id1,且在跌落期间一直将此锁存的id1与取值范围在0.5至1之间的系数k相乘后赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,因此在整个跌落期间,实际上舍弃了三相电网电压正常时的直流母线电压外环控制部分,直接采用同步电流矢量PID控制器,且本实施例中成功通过设置系数k=1成功保持了三相电网电压跌落期间的三相电网电流与三相电网电压正常时的三相电网电流基本一致,保证了在三相电网电压发生对称跌落至零电压的最严重故障时,单级三相光伏并网逆变器仍能稳定地向三相电网输送与电网未发生故障时同样大小的三相电流;另外,可根据现场实际调试情况,在0.5至1的取值范围内灵活改变k的设定值,即通过适当降低故障期间光伏并网逆变器输入到电网的三相电流的大小,充分保障电网电压对称跌落期间光伏并网逆变器能稳定并网运行,综述所述,本发明方法能充分保障在电网电压对称跌落工况下光伏并网逆变器能稳定实现低电压穿越运行。
本发明的方法是一种适用于三相电网对称跌落的动态响应快速平滑且稳定性好的光伏并网逆变器低电压穿越控制方法,运用本发明的方法,若检测出三相电网电压正常,则通过常用的最大功率点跟踪方法和直流母线电压调节器得到电流id1,并将其赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,采用同步电流矢量PI控制器及空间矢量脉宽调制方法得到6路脉宽调制脉冲;若检测出三相电网电压发生对称跌落,则锁存此跌落时刻的光伏阵列输出电压upv,同时锁存此跌落时刻的上一采样时刻的电流id1,并在跌落期间一直将此锁存的id1与取值在0.5至1范围内的系数k相乘后赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,待检测出三相电网电压恢复正常时再将此锁存的upv赋值给光伏阵列最大功率点参考电压uref,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,采用同步电流矢量PID控制器及空间矢量脉宽调制方法得到6路脉宽调制PWM脉冲。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换,但这些变更、修改或者等同替换,均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
I、获取三相电网的三相电压信号和逆变器输出端的三相电流信号;
II、确定三相电网电压的dq轴直流分量和同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分;
III、获取光伏阵列输出电压和光伏阵列输出电流;
IV、判断三相电网电压是否跌落;
V、当三相电网电压正常时获取逆变器的d轴参考电流;
VI、当三相电网电压发生跌落时获取逆变器的d轴参考电流;
VII、运用PI调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲;
VIII、运用PID调节器根据所述逆变器的d轴参考电流获得脉宽调制脉冲。
2.如权利要求1所述的一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述步骤II中,根据所述三相电压信号和所述三相电流信号分别确定三相电网电压的dq轴直流分量和同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分,包括:
根据所述三相电压信号运用锁相环PLL方法确定电网电压矢量旋转角度θ,根据所述电网电压矢量旋转角度和所述三相电压信号确定三相电网电压的d、q轴直流分量ed、eq;
根据所述逆变器输出端的三相电流信号和所述电网电压矢量旋转角度进行dq旋转矢量变换,确定同步旋转dq轴坐标系下的直流电流成分id、iq。
3.如权利要求1所述的一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述步骤IV包括:判断三相电网电压是否跌落,若所述三相电网电压正常则进入步骤V,若所述三相电网电压跌落则进入步骤VI。
4.如权利要求3所述的一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述步骤V包括以下步骤:
S501、若所述三相电网电压正常,根据所述光伏阵列输出电压和所述光伏阵列输出电流,运用最大功率跟踪MPPT方法确定光伏阵列最大功率点参考电压;
S502、将所述光伏阵列输出电压和所述光伏阵列最大功率点参考电压的差值进行电压比例积分PI调节器后获得电流id1;
S503、将所述电流id1赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref;为使逆变器输出电流与电网电压同相位,设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤VII。
5.如权利要求1-4任一所述的一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述步骤VI包括:
若所述三相电网电压发生对称跌落,则锁存跌落时刻的光伏阵列输出电压upv及上一采样时刻的电流id1,并在跌落期间一直将此锁存的id1与系数k相乘后的电流锁存值id2赋值给逆变器输出的d轴参考电流idref,k取值范围为0.5至1;设置逆变器输出的q轴参考电流iqref=0,进入步骤VIII;
若三相电网电压从跌落状态重新恢复正常,恢复时刻将所述电压锁存值upv赋值给光伏阵列最大功率点参考电压,返回步骤S502。
6.如权利要求1所述的一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述步骤VII包括以下步骤:
S701、所述逆变器输出的d轴参考电流和所述电流id的差值经过第一电流比例积分PI调节器后,与q轴交叉耦合项-wLiq和所述三相电网电压的d轴直流分量ed相加得到ud;
S702、将逆变器输出的q轴参考电流和所述电流iq的差值经过第二电流比例积分PI调节器后,与d轴交叉耦合项wLid和所述三相电网电压的q轴直流分量eq相加得到uq,其中,w为三相电网电压的角频率,L为逆变器中并网滤波器的滤波电感;
S703、所述电网电压矢量旋转角度θ将ud和uq进行派克Park逆变换,获得二相静止坐标系下的uα和uβ;运用空间矢量脉宽调制SVPWM方法,经数字信号处理器处理获得6路脉宽调制脉冲,返回步骤IV继续监测。
7.如权利要求1所述的一种用于光伏并网逆变器低电压穿越的控制方法,其特征在于:所述步骤VIII包括以下步骤:
S801、所述逆变器输出的d轴参考电流和所述电流id的差值经过第一电流比例积分PID调节器后,与q轴交叉耦合项-wLiq和所述三相电网电压的d轴直流分量ed相加得到ud1;
S802、将逆变器输出的q轴参考电流和所述电流iq的差值经过第二电流比例积分微分PID调节器后,与d轴交叉耦合项wLid和所述三相电网电压的q轴直流分量eq相加得到uq1,其中,w为三相电网电压的角频率,L为逆变器中并网滤波器的滤波电感;
S803、所述电网电压矢量旋转角度θ将ud1和uq1进行派克Park逆变换,获得二相静止坐标系下的uα1和uβ1;运用空间矢量脉宽调制SVPWM方法,经数字信号处理器处理获得6路脉宽调制脉冲,返回步骤IV继续监测。
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