CN110148943B - 一种抑制电网背景谐波影响的lcl并网逆变器阻抗重塑方法 - Google Patents

一种抑制电网背景谐波影响的lcl并网逆变器阻抗重塑方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法。首先建立逆变器并网系统的频域模型，在考虑电网运行方式的情况下，确定系统交截频率的取值范围，引入公共点电压前馈补偿对逆变器输出阻抗的交截频率附近频段的相位进行超前补偿，增大系统相角稳定裕度。以校正后逆变器基频阻抗增大不影响逆变器输出效率、校正后中低频段的相角稳定裕度大于30°为约束条件。以电网背景谐波的抑制效果的目标进行寻优，确定补偿环节的增益补偿系数在限值内的最大值。本发明在兼顾并网系统稳定性的同时，使得对电网背景谐波的抑制效果最佳。

Description

一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法
技术领域
本发明涉及一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法。
背景技术
逆变器并网系统的电流畸变问题一直是新能源发电的研究热点。并网电流谐波分量来自两部分，一部分是IGBT等电力电子器件引起的逆变器输出电压畸变，另一部分是来自电网背景谐波。LCL滤波器因为高频衰减能力较好、成本小等优点，被广泛应用在逆变器并网系统中。但是LCL只对来自逆变器侧的谐波有较好的抑制作用，不能有效抑制电网背景谐波电压对并网电流的影响。而且LCL固有的谐振点会引发并网系统不稳定运行、振荡以及谐波放大等问题，因此有必要在兼顾并网系统稳定性的同时，采取措施对电网背景谐波进行抑制。
目前常用的能同时抑制逆变器等电力电子器件产生的谐波以及电网背景谐波的方法有：一种是逆变器网侧电流反馈(Grid-sideCurrentFeedback,GCF)。GCF控制的反馈量为网侧电流，包含了电网背景谐波信息，因此在一定程度上能抑制电网背景谐波对并网电流的影响，但是GCF控制系统因为存在多个谐振点，难以保证并网系统稳定性。另外一类方法是电压前馈补偿控制增大逆变器输出阻抗，同样也会降低电流控制环的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法，通过寻优增大相位校正环节的增益补偿系数来使逆变器对谐波电压呈现高阻性，增大并网系统对电网背景谐波的抑制作用，即使在微电网背景电压发生扰动时，逆变器并网系统的并网电流也能满足国标谐波限值；同时，也增大了并网系统的相角稳定裕度，保证系统稳定运行，兼顾了稳定性和谐波抑制能力。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法，首先，建立逆变器并网系统的频域模型，在考虑电网运行方式的情况下，确定系统交截频率的取值范围；其次，引入公共点电压前馈补偿对逆变器输出阻抗的交截频率附近频段的相位进行超前补偿，增大系统相角稳定裕度；而后，以校正后逆变器基频阻抗增大不影响逆变器输出效率、校正后中低频段的相角稳定裕度大于30°为约束条件，并以电网背景谐波的抑制效果的目标进行寻优，确定补偿环节的增益补偿系数在限值内的最大值；在兼顾系统稳定性的同时，使得对电网背景谐波的抑制效果增强到最大。
在本发明一实施例中，该方法具体实现如下：
将逆变器并网系统通过诺顿等效建立逆变器并网系统的频域模型，其中，将逆变器等效为一个受控电流源并联一个逆变器输出阻抗，电网等效为一个电压源串联一个电网阻抗，逆变器与电网通过并网公共连接点连接；逆变器并网系统的频域模型可以由式(1)表示：
ig(s)＝Gc(s)igref(s)-Y0(s)upcc(s) (1)
Figure BDA0002097938330000021
Figure BDA0002097938330000022
Den(s)＝L1L2Cs3+(L1+L2)s+KpwmGPI(s)Gdelay(s) (4)
Figure BDA0002097938330000023
上式中，s为频域因子，upcc(s)为并网公共连接点电压，L1、L2分别为逆变器侧电感、电网侧电感，C为滤波电容，ig(s)为并网电流，igref(s)为并网电流参考值，GPI(s)为电流调制器，kp、ki分别为比例系数、积分系数，Gdelay(s)为逆变器采用数字控制带来的总延迟，此处将延时视作1.5个采样周期Ts，经过线性化可表示为：
Figure BDA0002097938330000024
逆变器输出阻抗Z0(s)＝1/Y0(s)，可得式(7)：
Figure BDA0002097938330000025
式中，ug(s)为电网等效电压源，Zg(s)为电网阻抗；
由式(7)可知，电网背景谐波干扰下，并网电流的谐波分量由Z0(s)+Zg(s)决定；
为提高并网系统的稳定性，避免特定次谐波放大现象，必须提高系统的相角稳定裕度；
定义逆变器并网系统的交截频率为fc，逆变器并网系统的相角稳定裕度可以表示为：
γ＝180°-[arg(Zg(fc))-arg(Z0(fc)] (8)
当系统相角稳定裕度为零时，电网阻抗Zg(s)和逆变器输出阻抗Z0(s)的幅值相等，相角相差180°；电网背景谐波电压产生的谐波电流为式(9)；此时，电网阻抗Zg(s)和逆变器输出阻抗Z0(s)发生串联谐振，|Zg+Z0|为0，电网背景在fc处的谐波会有极大的放大作用，造成并网电流严重畸变；
Figure BDA0002097938330000031
式中，ig_h、ug_h为ig、ug的谐波分量，为提高系统的相角稳定裕度，通过引入公共点电压前馈补偿对逆变器输出阻抗的交截频率附近频段的相位进行超前补偿；
定义Gm(s)为串联相位超前校正环节，其中，a为分度系数，T为时间常数，K为增益补偿系数；
Figure BDA0002097938330000032
经过相位超前环节校正后的逆变器等效输出阻抗如下式：
Figure BDA0002097938330000033
加入公共点电压前馈后的逆变器等效输出阻抗为：
Figure BDA0002097938330000034
令式(11)和(12)相等，可以推出：
Figure BDA0002097938330000035
调节相位超前补偿环节的参数K、a、T，即可保证系统的稳定裕度。
在本发明一实施例中，相位超前补偿环节的参数K、a、T的实现步骤如下：
首先，计算逆变器并网系统的相角裕度，并求得需要补偿角度；利用所需要补偿的相角裕度设计最大超前角度
Figure BDA0002097938330000036
求得分度系数a的大小，并且确定K的最小值为1/a；而后，根据电网的运行方式定出电网电感值的最大值Lmax和最小值Lmin；根据校正后逆变器等效输出阻抗Z'0(s)的基频上限值确定K的上限值；并根据K值的范围确定并网系统的交截角频率的取值范围；最后，根据相角裕度大于30°的要求开始寻优，目标是校正后的逆变器和电网阻抗的模值最大，最终确定超前校正环节的参数K、a、T，并验证已校正系统的相角裕度是否达标。
在本发明一实施例中，相位超前补偿环节的参数K、a、T的具体实现过程如下：
计算相位超前环节的相角为：
Figure BDA0002097938330000041
对上式求导并令其为零，可得最大超前角频率ωi
Figure BDA0002097938330000042
将式(15)代入式(14)可以得到最大超前角
Figure BDA0002097938330000047
Figure BDA0002097938330000043
相角超前环节的幅值增益为(17)，将1/a定为K的下限值；
Figure BDA0002097938330000044
电网运行在最小运行方式下时，电网阻抗最大，记为Lmax，若K取最小值，逆变器输出阻抗幅值最小，此时电网阻抗和逆变器的交截角频率为最小值，记为ωcmin；电网运行在最大运行方式下时，电网阻抗最小，记为Lmin，若K取最大值，逆变器输出阻抗幅值最大，电网阻抗和逆变器的交截角频率为最大值，记为ωcmax；
Figure BDA0002097938330000045
考虑到校正后逆变器的基频阻抗也会有所升高，影响逆变器传输效率，限定校正后逆变器基频阻抗不大于校正前的1.2倍：
Z'0(j·2π·50,K)≤1.2Z0(j·2π·50) (19)
由于校正后中低频段的相角稳定裕度需大于30°；
因此，可得相角裕度的约束条件为：
Figure BDA0002097938330000046
以|Z0(s)+Zg(s)|为目标函数，使目标函数最大，最终确定超前校正环节的参数K、a、T，即逆变器并网系统能够满足国标条件并且有足够的稳定裕度的情况下，能够最大程度的抑制电网背景谐波电压对逆变器并网电流的影响。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过寻优增大相位校正环节的增益补偿系数来使逆变器对谐波电压呈现高阻性，增大并网系统对电网背景谐波的抑制作用，即使在微电网背景电压发生扰动时，逆变器并网系统的并网电流也能满足国标谐波限值。同时，也增大了并网系统的相角稳定裕度，保证系统稳定运行，兼顾了稳定性和谐波抑制能力。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为三相逆变器的主电路图以及控制结构。
图3为逆变器并网系统诺顿等效模型。
图4为逆变器与电网阻抗频率特性。
图5为逆变器控制框图。
图6为阻抗重塑后逆变器与电网阻抗特性。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明提供了一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法，首先，建立逆变器并网系统的频域模型，引入公共点电压前馈补偿对逆变器输出阻抗的交截频率附近频段的相位进行超前补偿，增大逆变器并网系统相角稳定裕度；其次，根据电网运行方式确定逆变器并网系统的交截频率的取值范围，并以校正后逆变器基频阻抗增大不影响逆变器输出效率、校正后中低频段的相角稳定裕度大于30°为约束条件；最后，以电网背景谐波的抑制效果为目标进行寻优，确定补偿环节的增益补偿系数在限值内的最大值；在兼顾系统稳定性的同时，使得对电网背景谐波的抑制效果增强到最大。本发明方法具体实现如下：
1、逆变器并网系统的谐波稳定性分析
三相逆变器的主电路图以及控制结构如图2所示。其中，UPCC为并网公共连接点电压，Udc、Udc·ref为直流侧电压及其参考电压；L1、L2、C和Lg分别为逆变器侧和网侧滤波电感和滤波电容；i1、ic和ig分别为逆变器交流侧电流、滤波器电容电流、并网电流。图中GPI(s)＝kp+ki/s，其中kp、ki分别为比例积分环节的比例系数和积分系数；idq及idq.ref分别为电流的直交轴分量及其参考值。
并网逆变器和电网可以视作一个级联系统，一般将逆变器看作是一个受控电流源并联一个阻抗的诺顿模型，逆变器并网系统的诺顿模型如图3所示，其中Z0为逆变器输出阻抗，Y0为逆变器输出导纳。电网等效为一个电压源Ug串联一个电网阻抗Zg。
高渗透率分布式新能源发电的接入增大了电网的阻抗值，并且电网的运行方式的改变也会使电网阻抗值发生变化。由于电网的电感值远大于电阻值，因此在分析中将电网阻抗等效为电感Lg以简化分析过程。
结合图3，并网电流闭环控制模型(即逆变器并网系统的频域模型)可以由式(1)表示：
ig(s)＝Gc(s)igref(s)-Y0(s)upcc(s) (1)
Figure BDA0002097938330000061
Figure BDA0002097938330000062
Den(s)＝L1L2Cs3+(L1+L2)s+KpwmGPI(s)Gdelay(s) (4)
Figure BDA0002097938330000063
上式中，s为频域因子，upcc(s)为并网公共连接点电压，L1、L2分别为逆变器侧电感、电网侧电感，C为滤波电容，ig(s)为并网电流，igref(s)为并网电流参考值，GPI(s)为电流调制器，kp、ki分别为比例系数、积分系数，Gdelay(s)为逆变器采用数字控制带来的总延迟，此处将延时视作1.5个采样周期Ts，经过线性化可表示为：
Figure BDA0002097938330000064
逆变器输出阻抗Z0(s)＝1/Y0(s)，可得式(7)：
Figure BDA0002097938330000065
式中，ug(s)为电网等效电压源，Zg(s)为电网阻抗；
由式(7)可知，电网背景谐波干扰下，并网电流的谐波分量由Z0(s)+Zg(s)决定。
2、阻抗相角补偿策略原理
要提高并网系统的稳定性，避免特定次谐波放大现象，必须提高系统的相角稳定裕度。
定义逆变器并网系统的交截频率为fc，逆变器并网系统的相角稳定裕度可以表示为：
γ＝180°-[arg(Zg(fc))-arg(Z0(fc)] (8)
当系统相角稳定裕度为零时，电网阻抗Zg(s)和逆变器输出阻抗Z0(s)的幅值相等，相角相差180°；电网背景谐波电压产生的谐波电流为式(9)；此时，电网阻抗Zg(s)和逆变器输出阻抗Z0(s)发生串联谐振，|Zg+Z0|为0，电网背景在fc处的谐波会有极大的放大作用，造成并网电流严重畸变；
Figure BDA0002097938330000071
式中，ig_h、ug_h为ig、ug的谐波分量，图4为逆变器与电网的阻抗频率特性，可以看出，逆变器并网系统稳定裕度不够是因为在交截频率附近的频段逆变器表现为容性。为了提高系统的稳定裕度，通过电压前馈的方法实现逆变器的相位补偿实现逆变器阻抗重塑，原理框图如图5所示，虚线框为公共点电压的前馈函数。
通过对逆变器的中低频的相位进行补偿，主要取决于图5中Gp(s)的求取。若使串联超前校正环节的最大超前角频率fi落在逆变器和电网阻抗的交截频率fc上，就可以实现对中低频的相位进行补偿。定义Gm(s)为串联相位超前校正环节，其中，a成为分度系数，T为时间常数，K为增益补偿系数。
Figure BDA0002097938330000072
经过相位超前环节校正后的逆变器等效输出阻抗如下式：
Figure BDA0002097938330000073
加入公共点电压前馈后的逆变器等效输出阻抗为：
Figure BDA0002097938330000074
令式(11)和(12)相等，可以推出：
Figure BDA0002097938330000075
合理的设计相位超前补偿环节的参数K、a、T可以保证系统有足够的稳定裕度。
3、补偿环节参数设计增大谐波抑制能力
逆变器阻抗相位补偿环节的设计核心在于Gp(s)，Gp(s)包含着串联相位超前环节Gm(s)。因此相位超前环节Gm(s)的参数a、T、K的设计成了逆变器阻抗重塑的关键。相位超前环节的相角为：
相位超前环节的相角为：
Figure BDA0002097938330000081
对上式求导并令其为零，可得最大超前角频率ωi
Figure BDA0002097938330000082
将式(15)代入式(14)可以得到最大超前角
Figure BDA0002097938330000083
Figure BDA0002097938330000084
相角超前环节的幅值增益为(17)。传统方法为了使校正后系统的增益保持不变，令K取值为1/a，但是会限制|Zg+Z0|的大小，降低对谐波的抑制能力。因此，此发明将1/a定为K的下限值。
Figure BDA0002097938330000085
式(16)表明最大超前角
Figure BDA0002097938330000086
和分度系数a有关，分度系数a越大，超前环节的微分效应越强。但是a过大会使系统的信噪比降低。因此，一般a的取值不超过20，故最大超前角一般不超过64.8°。令式(16)等于需要补偿的相角裕度可以得出分度系数a，式(15)等于交截频率可以求得T。传统串联超前环节的增益补偿系数K是为了使校正后的整个系统的增益保持原有的增益，即相位超前补偿环节只改变指定频段的相角而不改变系统的幅值。前文所述，电网背景谐波电压对并网电流的影响取决于|Z0(s)+Zg(s)|，增益补偿系数K变大能够使|Z0(s)+Zg(s)|变大，达到抑制系统交截频率处的谐波放大的作用。但是增益补偿系数K过大会使逆变器的基频阻抗变大，降低逆变器的传输效率。另外，电网阻抗也会在某个范围变化，电网阻抗和校正后的逆变器阻抗同时改变会使交截频率发生改变，使最小相角裕度不一定在系统校正前的交截角频率ωc处取得。即要保证系统的最小相角裕度γ'min大于30°，此类问题转化成寻优问题。
电网运行在最小运行方式下时，电网阻抗最大，记为Lmax，若K取最小值，逆变器输出阻抗幅值最小，此时电网阻抗和逆变器的交截角频率为最小值，记为ωcmin；电网运行在最大运行方式下时，电网阻抗最小，记为Lmin，若K取最大值，逆变器输出阻抗幅值最大，电网阻抗和逆变器的交截角频率为最大值，记为ωcmax；
Figure BDA0002097938330000091
考虑到校正后逆变器的传输效率问题，限定校正后逆变器基频阻抗不大于校正前的1.2倍：
Z'0(j·2π·50,K)≤1.2Z0(j·2π·50) (19)
相角裕度的约束条件为：
Figure BDA0002097938330000092
目标函数为|Z0(s)+Zg(s)|，使目标函数最大，即逆变器并网系统能够满足国标条件并且有足够的稳定裕度的情况下，能够最大程度的抑制电网背景谐波电压对逆变器并网电流的影响。
相位超前补偿环节的参数设计过程可概括如下：(1)计算逆变器并网系统的相角裕度，并求得需要补偿多大的角度；(2)利用所需要补偿的相角裕度设计最大超前角度
Figure BDA0002097938330000093
可以求得分度系数a的大小，并且确定K的最小值为1/a；(3)根据电网的运行方式定出电网电感值的最大值Lmax和最小值Lmin；(4)根据校正后逆变器阻抗Z'0(s)的上限值确定K的上限值；(5)根据K值的范围确定并网系统的交截角频率的取值范围ωcmin～ωcmax；(6)根据相角裕度大于30°的要求开始寻优，目标是校正后的逆变器和电网阻抗的模值最大，最终确定超前校正环节的参数K、a、T；(7)验证已校正系统的相角裕度是否达标。
如图6，阻抗重塑后，逆变器输出阻抗在交截频率附近相位有所抬升，系统相角稳定裕度为31.2°，有足够的稳定裕度。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法，其特征在于，首先，建立逆变器并网系统的频域模型，在考虑电网运行方式的情况下，确定系统交截频率的取值范围；其次，引入公共点电压前馈补偿对逆变器输出阻抗的交截频率附近频段的相位进行超前补偿，增大系统相角稳定裕度；而后，以校正后逆变器基频阻抗增大不影响逆变器输出效率、校正后中低频段的相角稳定裕度大于30°为约束条件，并以电网背景谐波的抑制效果的目标进行寻优，确定补偿环节的增益补偿系数在限值内的最大值；在兼顾系统稳定性的同时，使得对电网背景谐波的抑制效果增强到最大；该方法具体实现如下：
将逆变器并网系统通过诺顿等效建立逆变器并网系统的频域模型，其中，将逆变器等效为一个受控电流源并联一个逆变器输出阻抗，电网等效为一个电压源串联一个电网阻抗，逆变器与电网通过并网公共连接点连接；逆变器并网系统的频域模型可以由式(1)表示：
ig(s)＝Gc(s)igref(s)-Y0(s)upcc(s) (1)
Figure FDA0003665620530000011
Figure FDA0003665620530000012
Den(s)＝L1L2Cs3+(L1+L2)s+KpwmGPI(s)Gdelay(s) (4)
Figure FDA0003665620530000013
上式中，s为频域因子，upcc(s)为并网公共连接点电压，L1、L2分别为逆变器侧电感、电网侧电感，C为滤波电容，ig(s)为并网电流，igref(s)为并网电流参考值，GPI(s)为电流调制器，kp、ki分别为比例系数、积分系数，Gdelay(s)为逆变器采用数字控制带来的总延迟，此处将延时视作1.5个采样周期Ts，经过线性化可表示为：
Figure FDA0003665620530000014
逆变器输出阻抗Z0(s)＝1/Y0(s)，可得式(7)：
Figure FDA0003665620530000015
式中，ug(s)为电网等效电压源，Zg(s)为电网阻抗；
由式(7)可知，电网背景谐波干扰下，并网电流的谐波分量由Z0(s)+Zg(s)决定；
为提高并网系统的稳定性，避免特定次谐波放大现象，必须提高系统的相角稳定裕度；
定义逆变器并网系统的交截频率为fc，逆变器并网系统的相角稳定裕度可以表示为：
γ＝180°-[arg(Zg(fc))-arg(Z0(fc)] (8)
当系统相角稳定裕度为零时，电网阻抗Zg(s)和逆变器输出阻抗Z0(s)的幅值相等，相角相差180°；电网背景谐波电压产生的谐波电流为式(9)；此时，电网阻抗Zg(s)和逆变器输出阻抗Z0(s)发生串联谐振，|Zg+Z0|为0，电网背景在fc处的谐波会有极大的放大作用，造成并网电流严重畸变；
Figure FDA0003665620530000021
式中，ig_h、ug_h为ig、ug的谐波分量，为提高系统的相角稳定裕度，通过引入公共点电压前馈补偿对逆变器输出阻抗的交截频率附近频段的相位进行超前补偿；
定义Gm(s)为串联相位超前校正环节，其中，a为分度系数，T为时间常数，K为增益补偿系数；
Figure FDA0003665620530000022
经过相位超前环节校正后的逆变器等效输出阻抗如下式：
Figure FDA0003665620530000023
加入公共点电压前馈后的逆变器等效输出阻抗为：
Figure FDA0003665620530000024
令式(11)和(12)相等，可以推出：
Figure FDA0003665620530000025
调节相位超前补偿环节的参数K、a、T，即可保证系统的稳定裕度。
2.根据权利要求1所述的一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法，其特征在于，相位超前补偿环节的参数K、a、T的实现步骤如下：
首先，计算逆变器并网系统的相角裕度，并求得需要补偿角度；利用所需要补偿的相角裕度设计最大超前角度
Figure FDA0003665620530000031
求得分度系数a的大小，并且确定K的最小值为1/a；而后，根据电网的运行方式定出电网电感值的最大值Lmax和最小值Lmin；根据校正后逆变器等效输出阻抗Z'0(s)的基频上限值确定K的上限值；并根据K值的范围确定并网系统的交截角频率的取值范围；最后，根据相角裕度大于30°的要求开始寻优，目标是校正后的逆变器和电网阻抗的模值最大，最终确定超前校正环节的参数K、a、T，并验证已校正系统的相角裕度是否达标。
3.根据权利要求2所述的一种抑制电网背景谐波影响的LCL并网逆变器阻抗重塑方法，其特征在于，相位超前补偿环节的参数K、a、T的具体实现过程如下：
计算相位超前环节的相角为：
Figure FDA0003665620530000032
对上式求导并令其为零，可得最大超前角频率ωi
Figure FDA0003665620530000033
将式(15)代入式(14)可以得到最大超前角
Figure FDA0003665620530000034
Figure FDA0003665620530000035
相角超前环节的幅值增益为(17)，将1/a定为K的下限值；
Figure FDA0003665620530000036
电网运行在最小运行方式下时，电网阻抗最大，记为Lmax，若K取最小值，逆变器输出阻抗幅值最小，此时电网阻抗和逆变器的交截角频率为最小值，记为ωcmin；电网运行在最大运行方式下时，电网阻抗最小，记为Lmin，若K取最大值，逆变器输出阻抗幅值最大，电网阻抗和逆变器的交截角频率为最大值，记为ωcmax；
Figure FDA0003665620530000037
考虑到校正后逆变器的基频阻抗也会有所升高，影响逆变器传输效率，限定校正后逆变器基频阻抗不大于校正前的1.2倍：
Z'0(j·2π·50,K)≤1.2Z0(j·2π·50) (19)
由于校正后中低频段的相角稳定裕度需大于30°；
因此，可得相角裕度的约束条件为：
Figure FDA0003665620530000041
以|Z0(s)+Zg(s)|为目标函数，使目标函数最大，最终确定超前校正环节的参数K、a、T，即逆变器并网系统能够满足国标条件并且有足够的稳定裕度的情况下，能够最大程度的抑制电网背景谐波电压对逆变器并网电流的影响。
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