CN108054967B - 基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法 - Google Patents

基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统，包括无刷双馈电机和柴油发动机，所述无刷双馈电机和所述柴油发动机同轴安装，所述无刷双馈电机包括定子和转子，所述定子包括功率绕组和控制绕组，还包括变换器和控制器，所述变换器为机侧变换器和网侧变换器，所述控制器用于控制所述变换器，所述控制器控制所述变换器使所述功率绕组侧电压在柴油发电系统并网前跟随电网电压，所述控制器控制所述变换器以使所述柴油发电系统输出功率在并网后跟随设定值。上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统实现了柴油发电机的高效节能、变速恒频稳定发电，保证在受到扰动的情况下能维持稳定发电。本发明还公开了一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法。

Description

基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电气传动与发电控制领域，特别是涉及一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法。
背景技术
当今世界上岛屿和偏远地区大部分能源需求依赖化石燃料，高燃料成本已转嫁到迅速增长的发电成本中。其次，将燃料运往偏远地区，其运输和储存费用高，成本进一步增加。再次，这些地区多采用定速柴油机发电，部分负荷下运行效率极低，造成大量能源浪费和环境污染。现有定速柴油发电机存在如下不足：(1)柴油机始终工作在较高的额定转速才能维持工频电压，无法根据电路负荷情况调整柴油机转速。在低负荷时高速运转，会造成燃油消耗量大，噪音也大；如果要降低单位功率油耗，则必须降低发电机转速，但发电机转速降低后，频率会发生较大变化。(2)无频率调节装置，发电机输出电压频率随柴油机转速变化波动，发电输出电能质量差，发电机寿命短，运行成本高。
目前柴油发电机多为定速发电机，在负荷较低时，燃油效率低，无法实现变速恒频发电。实现变速恒频发电效果的方法主要是将无刷双馈电机应用到柴油发电中，但目前的柴油发电系统在并网后易受扰动，无法维持稳定发电。
发明内容
基于此，有必要针对目前的变速恒频柴油发电系统在并网后易受扰动，无法维持稳定发电的问题，提供一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法。
一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统，包括无刷双馈电机和柴油发动机，所述无刷双馈电机和所述柴油发动机同轴安装，所述无刷双馈电机包括定子和转子，所述定子包括功率绕组和控制绕组，还包括变换器和控制器，所述变换器个数至少为2个，分别为机侧变换器和网侧变换器，所述机侧变换器与所述控制绕组连接，所述网侧变换器与所述功率绕组连接，所述控制器控制所述变换器使所述功率绕组侧电压在柴油发电系统并网前跟随电网电压，所述控制器控制所述变换器以使所述柴油发电系统输出功率在柴油发电系统并网后跟随设定值。
在其中一个实施例中，所述控制器通过调整所述控制绕组的角速度以保证所述柴油发电系统转速变化时所述功率绕组的角速度不变，以实现变速恒频发电。
在其中一个实施例中，所述功率绕组与电网或负载相连。
在其中一个实施例中，所述控制器为DSP模块或单片机模块。
在其中一个实施例中，所述变换器为四象限PWM变换器。
一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法，所述控制方法应用于上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统，包括以下步骤：
通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧电压的幅值、频率、相序、相位跟随电网电压，保持幅值、频率、相序、相位相同；
并网；
设定所述功率绕组侧的输出功率；
通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧的输出功率跟随设定值。
在其中一个实施例中，所述通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧电压的幅值、频率、相序、相位跟随电网电压，保持幅值、频率、相序、相位相同包括：
采样电网电压锁相，得到电网电压相位；
对功率绕组侧电压进行Clarke-Park变换，计算控制绕组角度；
以电网电压作为输入，功率绕组侧电压作为反馈，差值做PI控制，PI控制器输出为控制绕组电流给定值；
将所述控制绕组电流给定值与所述控制绕组电流实际值的差值送入PI控制器，得到的PI控制器输出与所述控制绕组角度进行Clarke-Park反变换，得到功率绕组侧电压。
在其中一个实施例中，所述通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧的输出功率跟随设定值包括：
将设定值作为输入，所述功率绕组侧的实际输出功率作为反馈，差值作PI控制，PI控制器输出为控制绕组电流给定值；
通过所述转子角速度计算控制绕组角度；
将所述控制绕组电流给定值与所述控制绕组电流实际值的差值送入PI控制器，得到的PI控制器输出与所述控制绕组角度进行Clarke-Park反变换，得到控制绕组侧电压，进而控制所述功率绕组侧输出功率达到设定值。
在其中一个实施例中，还包括：
采样所述转子角速度，计算所述柴油发电系统输出功率；
将所述转子角速度、所述柴油发电系统输出功率和所述功率绕组角速度标准值进行运算，得到所述控制绕组角速度给定值；
根据所述控制绕组角速度给定值控制所述控制绕组角速度，以保持所述功率绕组角速度恒定。
在其中一个实施例中，所述功率绕组角速度标准值为100πrad/s或120πrad/s。
上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法，在并网前通过预同步控制，避免并网时对电网的冲击，并网后控制输出功率跟随设定值，增强了系统对突发情况和受到扰动的稳定性，在受到扰动的情况下能维持高效稳定发电。
附图说明
图1为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统的示意图；
图2为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统中无刷双馈电机的结构图；
图3为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统中无刷双馈电机的定子和转子磁场旋转情况的示意图；
图4为变速发电机和恒速发电机典型燃油效率的对比曲线图；
图5为典型柴油发电机功率曲线图；
图6为定速、变速发动机最大功率和比耗油量曲线图；
图7为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法的流程示意图；
图8为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法中变换器预同步控制算法原理框图；
图9为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法中变换器并网控制算法原理框图；
图10为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法中并网预同步过程的电压曲线图。
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。
请参见图1，图1为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统的示意图。
在本实施例中，所述基于无刷双馈电机的柴油发电系统包括无刷双馈电机101、柴油发动机102、变换器103和控制器104。所述无刷双馈电机101和所述柴油发动机102同轴安装。所述无刷双馈电机101包括定子和转子，所述定子包括功率绕组和控制绕组，所述功率绕组与电网或负载相连。
在本实施例中，所述变换器103个数为2个，分别为机侧变换器1031和网侧变换器1032，所述机侧变换器1031与所述控制绕组连接，所述网侧变换器1032与所述功率绕组连接。在本实施例中，所述变换器103为PWM四象限变换器。在本实施例中，所述网侧变换器1032用于给所述机侧变换器1031提供稳定的直流母线电压。在其它实施例中，所述变换器103个数可以为多个，所述变换器103类型可以为其它变换器，可根据实际情况做相应变化。
在本实施例中，所述控制器104为DSP模块，用于控制所述变换器103，所述控制器104在并网前控制所述变换器103使所述功率绕组侧电压跟随电网电压，在并网后控制所述变换器103以使所述柴油发电系统输出功率跟随设定值。在其它实施例中，所述控制器104可以采用单片机等其它芯片，只需起到控制作用即可。
上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统的控制器104在并网前控制所述机侧变换器1031使所述功率绕组侧电压跟随电网电压，在并网后控制所述机侧变换器1031以使所述柴油发电系统输出功率跟随设定值，增强了系统对突发情况和受到扰动的稳定性，在受到扰动的情况下能维持稳定发电。
在本实施例中，所述基于无刷双馈电机的柴油发电系统还包括柴油机调速系统105和上位机106。所述柴油机调速系统105和所述控制器104通讯，所述控制器104根据不同负荷工况得出最优转速，并将最优转速指令发送给所述柴油机调速系统105，进一步控制油门，调节所述柴油机102转速。在本实施例中，所述控制器104通过rs485与所述上位机106连接，将所述柴油发电系统的工作状态如转速、电压、电流等参数发送给所述上位机106，所述上位机106将上述工作状态进行显示，以监测所述柴油发电系统的工作情况。在其它实施例中，所述控制器104可以通过其它方式与所述上位机106连接，只需起到通信作用即可。
传统柴油发电机由直接连接到同步交流发电机的发动机组成。由于产生的电力必须是固定频率，通常为50Hz或60Hz，发动机必须以恒定速度(通常为1500rpm，50Hz或1800rpm，60Hz)旋转，而不管电力需求如何。在柴油发电机中节省燃料的一种解决方案是使发动机能够以与负载需求直接相关的可变速度运行。
无刷双馈电机101(Brushless DoublyFed Generator，BDFG)是一种新型交流励磁电机，其定子上有两套极对数不同的绕组，分别为功率绕组(Power Winding，PW)和控制绕组(Control Winding，CW)，其中功率绕组直接接电网或负载；另一个为控制绕组，可通过变频器(一般为四象限变频器)接电网侧。BDFG兼具异步电机和同步电机优点，它通过定子侧励磁，取消电刷和集电环，实现转子无刷化，使转子结构更简单和坚固耐用，而在其他方面保留了转差功率变换型系统的优点，适合在易燃、易爆、粉尘多等严苛的应用场合，在柴油发电、风力发电、水力发电等变速恒频高效发电领域具有广阔应用前景。
无刷双馈电机101的基本结构如图2所示，设PW极对数为pp，CW极对数为pc，控制绕组接四象限背靠背变流器，通过变流器给电机励磁。
同步模式下无刷双馈电机101的定子和转子磁场旋转情况如图3所示。此时转子角速度ωr为：
Figure GDA0002359432700000061
其中ωp是功率绕组PW角速度，ωc是控制绕组CW角速度。从式可看出，ωp是ωr和ωc的函数：
ωp＝(pp+pc)ωr-ωc (2)
这样，在机组运行转速变化时，相应地调整控制绕组角速度ωc，就能保证功率绕组角速度ωp恒定，保证频率恒定，实现变速恒频发电。
首先，对于给定的动力需求以最有效的速度运行发动机，可节省大量燃料。请参见图4，图4为变速发电机和恒速发电机典型燃油效率的对比曲线图。图4对比了恒速柴油发电机和变速发电机的燃油效率，实际节省燃油消耗的估算将取决于特定应用中的负荷曲线。
与同样额定功率的定速发电机相比，变速发电机组只需更小的发动机，因此也可节省燃油。请参见图5，图5为典型柴油发电机功率曲线图。图5所示的标准发动机功率曲线说明了为什么变速发电机上的发动机可能更小。在标准定速发电机上，发动机只能在1500rpm的速度下运转。这意味着所有高于标称额定速度的功率(灰色区域)不可用。变速发电机可以在全速范围内使用发动机，与相同额定功率的固定速度发电机相比，可使用更小的发动机。根据发动机的不同，其应用通常为50Hz，其功率曲线是一个变量，因为发电机很少以全额定容量运行，发动机的平均运行速度将低于1500rpm。
请参见图6，图6为定速、变速发动机最大功率和比耗油量曲线图。图6左图为定速发动机最大功率和比耗油量曲线图，图6右图为变速发电机最大功率和比耗油量曲线图。图6显示了柴油发动机最大功率和燃料消耗率的简化示意图。其中Pdmaxf(Ωdm)为速度函数呈现最大发动机功率，gfmin、gf1、gf2、gf3指在该发动机中的特定区域的燃料消耗量。
由发动机传递的功率Pd与速度Ωd、转矩Td成比例关系。
Pd＝ΩdTd (3)
对于定速Ωd50运行(传统发电系统为50Hz)，变量仅为扭矩(Pd50)。对于低功率输出，发动机运行在高能耗区域(gf>gf3)。然而，给定输出功率可以通过Pdx所示的大量速度和转矩来实现。这意味着在解耦情况下，可选择更高效的运行区域。图6右图显示了柴油机高效运行的一个例子，这种高效运行是通过创建相应最低燃料消耗的参考速度
Figure GDA0002359432700000071
来实现的，速度自由度允许以高于Ωd50的速度Ωdm运行(通常Ωd50＝1500rpm)，这样可用发动机功率Pdmax也更高。因此，该方案可增加发动机的功率，而不增加重量和质量，是变速度发电的另一个优点，这意味着另一种高效节省燃料方案。在本实施例中，所述控制器104通过调节所述控制绕组的角速度以保证所述柴油发电系统转速变化时所述功率绕组的角速度不变，以实现变速恒频发电操作。
上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统将无刷双馈电机101应用到柴油发动机102上，并使用所述控制器104调节所述控制绕组的角速度以保证所述柴油发电系统转速变化时所述功率绕组的角速度不变，实现了变速恒频发电操作，有以下的有益效果：
(1)新型绕线转子绕组无刷双馈电机101省去了滑环和电刷、结构简单、坚固可靠、运行效率高、便于维修，用于柴油发电系统更能发挥出其优异性能；
(2)基于无刷双馈电机101的柴油发电系统可实现变速恒频发电，提高各工况下的发电效率，节省燃料；
(3)变换器103容量只占电机总功率的1/3，可降低变换器103容量，从而节约成本；
(4)与定速发电机组相比，变速恒频柴油发电机通常工作在较低速度，所以大大降低发电机磨损，以最佳速度运行发电机减少了由于低负荷高转速下不完全燃烧造成的“低堆载”和“焦化”问题，减小污染排放，发动机转速优化延长了大修时间，降低了维护成本；
(5)可独立灵活控制有功、无功功率，对电网干扰小，同时可补偿无功功率，既降低了电机成本，又提高了系统运行可靠性；
(6)降低噪音，几乎所有发电机产生的噪音都是由发动机和转速引起的。当发动机转速降低时，噪音也大大降低，这意味着在省电模式下，当发动机处于低速时，变速发电机更为安静；
(7)延长发动机寿命，偏远地区应用中的变速发电机运行速度普遍较低，以延长发动机寿命。每当发动机旋转时，发动机中的运动部件都经历“负载循环”。速度降低导致负载循环次数减少，从而延长发动机寿命；
(8)减少排放，测试变速发电机的结果表明，排放量与变速发电系统产生的燃油成比例下降。
上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统将无刷双馈电机101应用在柴油发动机102上，实现了不同负荷下高效柴油发电系统的变速恒频发电，并且在并网前通过预同步控制，避免并网时对电网的冲击，并网后控制输出功率跟随设定值，增强了系统对突发情况和受到扰动的稳定性，在受到扰动的情况下能维持稳定发电。
本发明还公开了一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法，所述控制方法应用于上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统。
请参见图7，图7为本发明的实施例的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法的流程示意图。
在本实施例中，所述基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法包括：
步骤701，通过PI控制器控制所述无刷双馈电机101的功率绕组侧电压的幅值、频率、相序、相位跟随电网电压，保持幅值、频率、相序、相位相同。
具体地，请参见图8，所述步骤701包括：
采样电网电压锁相，得到电网电压相位；
对功率绕组侧电压进行Clarke-Park变换，计算控制绕组角度；
以电网电压作为输入，功率绕组侧电压作为反馈，差值做PI控制，PI控制器输出为控制绕组电流给定值；
将所述控制绕组电流给定值与所述控制绕组电流实际值的差值送入PI控制器，得到的PI控制器输出与所述控制绕组角度进行Clarke-Park反变换，得到功率绕组侧电压。
上述步骤使所述功率绕组侧电压跟随电网电压，保持幅值、频率、相序、相位相同，完成了并网前的预同步控制，避免并网时对电网的冲击。
步骤702，并网。
具体地，将所述柴油发电系统接入电网。
步骤703，设定所述功率绕组侧的输出功率。
步骤704，通过PI控制器控制所述无刷双馈电机101的功率绕组侧的输出功率跟随设定值。
具体地，请参见图9，所述步骤704包括：
将设定值作为输入，所述功率绕组实际输出功率作为反馈，差值作PI控制，PI控制器输出为控制绕组电流给定值；
通过所述转子角速度计算控制绕组角度；
将所述控制绕组电流给定值与所述控制绕组电流实际值的差值送入PI控制器，得到的PI控制器输出与所述控制绕组角度进行Clarke-Park反变换，得到控制绕组侧电压，进而控制所述功率绕组侧输出功率达到设定值。
上述步骤使所述功率绕组侧输出功率跟随设定值，增强了系统对突发情况和受到扰动的稳定性，在受到扰动的情况下能维持稳定发电。
在本实施例中，所述控制器104根据当前工况下负荷需求功率，根据图6右图中所示的最优效率的转速功率曲线
Figure GDA0002359432700000091
得出柴油机的转速指令，最后将指令传送给柴油机转速控制器(阀门)调节给油量，功率绕组输出频率稳定的功率，提高柴油机效率，最终实现不同负荷下高效柴油机变速恒频发电。
在本实施例中，所述基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法还包括：
采样所述转子角速度，计算所述柴油发电系统输出功率；
将所述转子角速度、所述柴油发电系统输出功率和所述功率绕组角速度标准值进行运算，得到所述控制绕组角速度给定值；
根据所述控制绕组角速度给定值控制所述控制绕组角速度，以保持所述功率绕组角速度恒定。
具体地，所述功率绕组角速度标准值为100πrad/s或120πrad/s。在其它实施例中，当所述柴油发电系统输出频率发生变化时，所述功率绕组角速度标准值对应发生变化。
请参见图10，图10为上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法中并网预同步过程的电压曲线图。这一曲线图体现了并网预同步过程中电网电压和所述变换器103输出电压随时序变化的过程。当所述电网电压和所述变换器103输出电压重叠时，即可完成并网预同步，开始并网。上述方法中的锁相包含软件锁相和硬件锁相。软件锁相采用在dq坐标下正负序结构的锁相方式，可以解决电网电压不对称情况下的锁相问题。硬件锁相采用硬件过零锁相问题，算法简单可靠，适用于电网电压对称的情况。锁相采用调节频率间接调节变换器相位的方法，变换器输出相位不会突变，不会对变换器上带的负荷供电产生影响。锁相完成后，所述变换器103的相位、频率、幅值均和电网电压相同，此时满足并网条件，所述变换器103可以自行合闸，切换到并网模式。
上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法中，在并网前和并网后两种工况中，所述控制器104根据当前工况下负荷需求功率，根据图6右图中所示的最优效率的转速功率曲线
Figure GDA0002359432700000101
得出柴油机的转速指令，最后将指令传送给柴油机转速控制器(阀门)调节给油量，最终实现不同负荷下高效柴油机变速恒频发电。
上述基于无刷双馈电机的柴油发电系统及其控制方法将无刷双馈电机101应用在柴油发动机102上，实现了不同负荷下高效柴油发电系统的高效节能变速恒频发电，并且在并网前通过预同步控制，避免并网时对电网的冲击，并网后控制输出功率跟随设定值，增强了系统对突发情况和受到扰动的稳定性，在受到扰动的情况下能维持稳定发电。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统，包括无刷双馈电机和柴油发动机，所述无刷双馈电机和所述柴油发动机同轴安装，所述无刷双馈电机包括定子和转子，所述定子包括功率绕组和控制绕组，其特征在于，还包括变换器和控制器，所述变换器个数至少为2个，分别为机侧变换器和网侧变换器，所述机侧变换器与所述控制绕组连接，所述网侧变换器与所述功率绕组连接，所述控制器控制所述变换器使所述功率绕组侧电压在柴油发电系统并网前跟随电网电压，所述控制器控制所述变换器以使所述柴油发电系统输出功率在柴油发电系统并网后跟随设定值；
所述系统还包括柴油机调速系统；所述柴油机调速系统和所述控制器通讯，所述控制器根据不同负荷工况得出最优转速，并将最优转速指令发送给所述柴油机调速系统，以控制油门，调节所述柴油机转速；
所述控制器通过调整所述控制绕组的角速度以保证所述柴油发电系统转速变化时所述功率绕组的角速度不变，以实现变速恒频发电。
2.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统，其特征在于，所述功率绕组与电网或负载相连。
3.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统，其特征在于，所述控制器为DSP模块或单片机模块。
4.根据权利要求1所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统，其特征在于，所述变换器为PWM四象限变换器。
5.一种基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法，所述控制方法应用于权利要求1-4任一项所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统，其特征在于，包括以下步骤：
通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧电压的幅值、频率、相序、相位跟随电网电压，保持幅值、频率、相序、相位相同；
并网；
设定所述功率绕组侧的输出功率；
通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧的输出功率跟随设定值；
所述通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧电压的幅值、频率、相序、相位跟随电网电压，保持幅值、频率、相序、相位相同包括：
采样电网电压锁相，得到电网电压相位；
对功率绕组侧电压进行Clarke-Park变换，计算控制绕组角度；
以电网电压作为输入，功率绕组侧电压作为反馈，差值做PI控制，PI控制器输出为控制绕组电流给定值；
将所述控制绕组电流给定值与所述控制绕组电流实际值的差值送入PI控制器，得到的PI控制器输出与所述控制绕组角度进行Clarke-Park反变换，得到功率绕组侧电压。
6.根据权利要求5所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法，其特征在于，所述通过PI控制器控制所述无刷双馈电机的功率绕组侧的输出功率跟随设定值包括：
将设定值作为输入，所述功率绕组侧的实际输出功率作为反馈，差值作PI控制，PI控制器输出为控制绕组电流给定值；
通过所述转子角速度计算控制绕组角度；
将所述控制绕组电流给定值与所述控制绕组电流实际值的差值送入PI控制器，得到的PI控制器输出与所述控制绕组角度进行Clarke-Park反变换，得到控制绕组侧电压，进而控制所述功率绕组侧输出功率达到设定值。
7.根据权利要求5所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法，其特征在于，还包括：
采样所述转子角速度，计算所述柴油发电系统输出功率；
将所述转子角速度、所述柴油发电系统输出功率和所述功率绕组角速度标准值进行运算，得到所述控制绕组角速度给定值；
根据所述控制绕组角速度给定值控制所述控制绕组角速度，以保持所述功率绕组角速度恒定。
8.根据权利要求7所述的基于无刷双馈电机的柴油发电系统控制方法，其特征在于，所述功率绕组角速度标准值为100πrad/s或120πrad/s。
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