CN111555358A - 一种基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及微电网控制技术领域,具体地说是一种基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法。
背景技术
随着人类对能源需求的日益增长,化石能源储量不断减少,核能发展也有所限制,可再生能源和分布式电源技术受到了各国学者的广泛关注,分布式发电与大电网互为补充,在减少大电网的容量、提高供电可靠性及用电峰谷调节等方面显示出独特的优势,但是滥用以及不规范无管理性地使用分布式发电逐渐也使得其弊端日渐明显。于是,一个以地域为依托、由多个分布式电源(Distributed Generator,DG)组成的微型电网的设想产生了,也就是微电网。微电网的控制策略需要将分布式电源的电压和频率稳定在各自的额定值附近才能保障电力系统安全可靠的运行。
微电网具有并网和孤岛两种工作模式。在孤岛模式下,各分布式电源并联运行,由于此时分布式电源的电压和频率没有大电网支撑,容易波动,所以该模式下的控制策略显得尤为重要,下垂控制策略是一种经典的微电网控制策略,采用下垂控制能够调节有功和无功功率,使各DG共同承担微电网系统中的不平衡功率,为微电网系统在孤岛运行状态时提供电压和频率支撑。但是,传统下垂控制对功率分配具有局限性。由于受自然条件等限制,微电网中的DG的地理位置相对分散、馈线距离长,各DG馈线阻抗差异较大,用传统下垂控制难以实现输出无功功率按照DG容量比例合理分配,即无法实现无功功率的精确分配。
针对此问题,研究人员提出了多种改善无功功率分配精度的方法。常用的方法有将虚拟阻抗加入传统下垂控制中,使得微电网系统输出的等效阻抗相同来实现无功功率均均分,但加入的虚拟阻抗的增加将导致输出电压明显跌落,降低了微电网系统电压质量,且所提的虚拟阻抗算法对逆变器的控制带宽要求较高,实现难度较大。另有研究将无功偏差作用于有功/频率下垂控制,产生有功扰动;再通过低宽带通讯发出同步信号,将该扰动作用到每个微源无功/电压下垂控制,以此消除无功偏差。但该方案将产生频率的波动,影响微电网的电能质量和稳定性,且同步信号作用在无功/电压下垂的时间难以确定。
发明内容
本发明的目的是针对传统下垂控制中无功功率输出与线路阻抗有关以致难以实现无功功率合理分配的问题,提供一种基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,该方法能够在负荷波动情况下自适应调整各分布式电源的功率分配情况,使得输出无功功率与线路阻抗无关,实现无功功率按分布式电源容量比合理分配输出,仿真结果验证了该改进策略的有效性。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的:
一种基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,其特征在于:该方法基于微电网系统,微电网系统包括多个分布式电源,分布式电源通过各自对应相连的电压型三相有源逆变器和LC滤波器接入微电网系统的公共节点;在微电网系统上配置有功率控制外环模块和电压电流控制内环模块;该方法的步骤如下:
A、通过功率控制外环模块中的功率计算模块得到第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器输出的有功功率实际值Pi和无功功率实际值Qi;
B、通过功率控制外环模块中的自适应下垂控制器基于第i个分布式电源的无功下垂系数ni和第i个分布式电源的输出的无功功率实际值Qi获得第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值Q期i:
式(3)中,ni为第i个分布式电源的无功下垂系数,根据其自身容量设置;为第i个分布式电源输出的无功功率实际值的分配比例系数;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值;Q期i为第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值;
C、将第i个分布式电源的输出的无功功率实际值Qi和第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值Q期i输入自适应下垂控制器中的PI控制器,获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量Vi':
Vi'=(kP+kI/s)(Q期i-Qi) (4)
式(4)中,Vi'为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量;kP为PI控制器的比例放大系数;kI为PI控制器的积分比例系数;1/s为PI控制器的积分算子;
D、将第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量Vi'与第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值Vi相叠加获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值Vi *:
Vi *=Vi+Vi'=VN-ni(Qi-QNi)+(kP+kI/s)(Q期i-Qi) (5)
式(5)中,Vi *为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值;VN为微电网系统的额定电压;QNi为第i个分布式电源的额定无功功率;
E、自适应下垂控制器将第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和获得的第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值Vi *合成为三相电压参考值uref;
F、将步骤E获得的三相电压参考值uref送至电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器得到指令信号,将指令信号经坐标反变换后送入PWM脉冲控制器,PWM脉冲控制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。
所述步骤A的详细过程为:功率控制外环模块采集第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc和输出电流ioabc,经Clack和Park坐标变换,获得变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量ioq,输入功率计算模块中得到第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器输出的有功功率实际值Pi和无功功率实际值Qi,功率计算模块中的功率计算公式为:
式(1)中,Pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。
所述步骤D中的第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值Vi和所述步骤E中的第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi基于传统下垂控制方法的控制方程获得,该控制方程如下:
式(2)中,fN为微电网系统额定频率;fi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值;VN为微电网系统额定电压;Vi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值;mi为第i个分布式电源的有功下垂系数;ni为第i个分布式电源的无功下垂系数;PNi为第i个分布式电源的额定有功功率;QNi为第i个分布式电源的额定无功功率;Pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。
所述步骤F的具体过程为:
F1、将步骤E获得的三相电压参考值uref送至电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器;同时电压电流控制内环模块采集第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc和电容电流icabc,经Clack和Park坐标变换后输入电压电流双环控制器;电压电流双环控制器处理后得到指令信号;
F2、指令信号经Clack和Park坐标反变换后送入PWM脉冲控制器;
F3、PWM脉冲控制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。
第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc经Clack和Park坐标变换的具体过程为:
其中,Clack坐标变换的公式为:
式(6)中,uα和uβ为经过Clack坐标变换所得静止坐标系下的电压值;ua、ub、uc为功率控制外环模块采集的第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc的三相电压分量;Cabc/αβ为Clack坐标变换矩阵,具体为:
其中Pack坐标变换的公式为:
式(8)中,uod、uoq分别为经Pack坐标变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量和交轴电压分量;Pαβ/dq为Pack坐标变换矩阵,具体为:
第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电流ioabc经Clack和Park坐标变换的具体过程为:
其中,Clack坐标变换的公式为:
式(10)中,iα和iβ为经过Clack坐标变换所得静止坐标系下的电流值;ia、ib、ic为功率控制外环模块采集的第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电流ioabc的三相电流分量;
其中Pack坐标变换的公式为:
式(11)中,iod、uoq分别为经Pack坐标变换后的旋转坐标系下的直轴电流分量和交轴电流分量。
本发明相比现有技术有如下优点:
本发明提供的方法通过自适应调整各分布式电源的功率分配情况,使得电压型三相有源逆变器输出的无功功率与线路阻抗无关,利用无功率输出的实际值实时得到不同容量配比下每台分布式电源期望输出的无功功率,在负荷波动情况下也能够保证无功功率按比例分配,大大增强了微电网系统的动态性能,实现各分布式电源无需通信便可实现无功功率按分布式电源容量比合理分配输出,提高了微电网系统的可靠性。
附图说明
附图1为本发明的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法的总体框架图;
附图2为传统下垂控制方法的流程图;
附图3为本发明的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法的流程图;
附图4为采用本发明的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法的两台DG并联运行模型图;
附图5为仿真场景一的基于传统下垂控制和基于本发明的自适应下垂控制的分布式电源输出的无功功率实际值仿真结果图;
附图6为仿真场景一的基于传统下垂控制和基于本发明的自适应下垂控制的分布式电源输出的无功功率实际值比例仿真结果图;
附图7为仿真场景二的基于传统下垂控制和基于本发明的自适应下垂控制的分布式电源输出的无功功率实际值仿真结果图;
附图8为仿真场景二的基于传统下垂控制和基于本发明的自适应下垂控制的分布式电源输出的无功功率实际值比例仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
本发明公开了一种基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,该方法基于微电网系统,微电网系统包括多个分布式电源,分布式电源通过各自对应相连的电压型三相有源逆变器和LC滤波器接入微电网系统的公共节点;在微电网系统上配置有功率控制外环模块和电压电流控制内环模块,其中功率控制外环模块检测各电压型三相有源逆变器的输出电压和电流以获得有功功率实际值和无功功率实际值,利用无功功率实际值获得的该分布式电源稳态时输出的无功功率期望值和该分布式电源输出的无功功率实际值的误差经PI控制器得到微电网系统电压补偿量,将此微电网系统电压补偿量加入传统的下垂控制方程中得到改进的下垂控制方程,将经功率计算模块得到的功率输入到改进的下垂控制方程中得到该分布式电源的微电网系统电压补偿参考值以及微电网系统频率参考值,并将微电网系统电压补偿参考值以及微电网系统频率参考值合成三相电压参考值uref后输出至电压电流双环控制器,通过电压电流双环控制器进一步得到控制信号送入PWM脉冲控制器以控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断。
本发明的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法的总体框架图、流程图分别如图1、图3所示,该方法的步骤如下:
A、通过功率控制外环模块中的功率计算模块得到第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器输出的有功功率实际值Pi和无功功率实际值Qi,其中功率控制外环模块采集第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc和输出电流ioabc,经Clack和Park坐标变换,获得变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量uod、交轴电压分量uoq、直轴电流分量iod以及交轴电流分量ioq,输入功率计算模块中得到第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器输出的有功功率实际值Pi和无功功率实际值Qi,功率计算模块中的功率计算公式为:
式(1)中,Pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值;
B、通过功率控制外环模块中的自适应下垂控制器基于第i个分布式电源的无功下垂系数ni和第i个分布式电源的输出的无功功率实际值Qi获得第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值Q期i:
式(3)中,ni为第i个分布式电源的无功下垂系数,根据其自身容量设置;为第i个分布式电源输出的无功功率实际值的分配比例系数;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值;Q期i为第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值;
C、将第i个分布式电源的输出的无功功率实际值Qi和第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值Q期i输入自适应下垂控制器中的PI控制器,获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量Vi':
Vi'=(kP+kI/s)(Q期i-Qi) (4)
式(4)中,Vi'为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量;kP为PI控制器的比例放大系数;kI为PI控制器的积分比例系数;1/s为PI控制器的积分算子;
D、将第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量Vi'与第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值Vi相叠加获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值Vi *:
Vi *=Vi+Vi'=VN-ni(Qi-QNi)+(kP+kI/s)(Q期i-Qi) (5)
式(5)中,Vi *为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值;VN为微电网系统的额定电压;QNi为第i个分布式电源的额定无功功率;
E、自适应下垂控制器将第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和获得的第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值Vi *合成为三相电压参考值uref;
F、将步骤E获得的三相电压参考值uref送至电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器;同时电压电流控制内环模块采集第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc和电容电流icabc,经Clack和Park坐标变换后输入电压电流双环控制器,电压电流双环控制器处理后得到指令信号;指令信号经Clack和Park坐标反变换后送入PWM脉冲控制器;PWM脉冲控制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。
在上述方法中,将微电网系统的输电线路阻抗视为感性,采用传统下垂控制方法,确定第i个分布式电源的有功下垂系数mi和无功下垂系数ni,经传统下垂控制方法的控制方程得到第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值Vi,该控制方程如下:
式(2)中,fN为微电网系统额定频率;fi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值;VN为微电网系统额定电压;Vi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值;mi为第i个分布式电源的有功下垂系数;ni为第i个分布式电源的无功下垂系数;PNi为第i个分布式电源的额定有功功率;QNi为第i个分布式电源的额定无功功率;Pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。
对比现有技术中的下垂控制方法(流程图如图2所示),通过本发明的方法能够实现电压型三相有源逆变器输出的无功功率实际值与线路阻抗无关,利用输出的无功功率实际值实时得到不同容量配比下每台DG期望输出的无功功率,在负荷波动情况下亦能够保证无功功率按分布式电源容量比合理分配输出。
为了说明本发明提供的方法的效果,给出如下实施例:
为验证改进自适应下垂控制策略的有效性,在MATLAB中搭建两台DG并联运行模型如图4所示。图4中的电压型三相有源逆变器的额定电压幅值和额定频率分别为311V和50Hz;DG的直流侧电压均为800V,滤波电容均为1500μF,滤波电感为0.6mH,初始负荷为(10+j5)kVA,设定仿真时间为0.7s,0.2s前采用传统下垂控制,0.2s时切换为本发明所提出的自适应下垂控制,并在0.4s时接入负荷(10+j5)kVA。其余相关参数根据不同的仿真场景设定。下面将在不同的仿真场景中对本发明所提出的自适应下垂控制策略进行验证。
仿真场景一:两台DG的额定容量不同、线路阻抗不同且负荷存在波动,仿真参数见表1。
表1:仿真场景一的仿真参数表
DG | 额定容量/kVA | 线路电阻/Ω | 线路电抗/Ω | 有功下垂系数m/(10<sup>-5</sup>) | 无功下垂系数n/(10<sup>-4</sup>) |
1 | 20+j10 | 0.1284 | 0.021 | 0.5 | 1.5 |
2 | 10+j5 | 0.25 | 0.0094 | 1 | 3 |
仿真结果如图5、图6所示,两台DG容量比例为2:1,线路阻抗不同。当0~0.2s时采用传统下垂控制策略时,由图5得DG1、DG2输出的无功功率实际值分别为3.13kVar和1.92Var,由图6得到输出的无功功率实际值的比例Q1/Q2为1.6,未按照2:1的比例进行分配;0.2s时刻采用本发明的自适应下垂控制策略,经过一个暂态后,DG1和DG2输出的无功功率实际值分别为3.33kvar和1.68kvar,由图6得到输出的无功功率实际值的比例为2;在0.4s时加入负荷(10+j5)kVA,经过一个暂态后,DG1和DG2输出的无功功率实际值分别为6.57kvar和3.3kvar,输出的无功功率实际值的比例仍为2。该结果表明本发明提供的自适应下垂控制策略在负荷波动的情况下依然能够实现无功功率按照不同DG容量比例进行分配,大大提高了无功功率分配精度,暂态时间短,具有良好的动态性能。
仿真场景二:两台DG的额定容量相同、线路阻抗不同、存在负荷波动。仿真参数见表2。
表2:仿真场景二的仿真参数表
DG | 额定容量/kVA | 线路电阻/Ω | 线路电抗/Ω | 有功下垂系数m/(10<sup>-5</sup>) | 无功下垂系数n/(10<sup>-4</sup>) |
1 | 10+j5 | 0.1284 | 0.021 | 1 | 3 |
2 | 10+j5 | 0.25 | 0.0094 | 1 | 3 |
仿真结果如图7、图8所示,两台DG的容量比例为1:1、线路阻抗不同。当0~0.2s时采用传统下垂控制策略时,由图7得DG1、DG2输出的无功功率实际值分别为4.45kVar和553kVar,由图8得到输出的无功功率实际值的比例Q1/Q2远远大于1,未按照1:1的比例进行分配。0.2s时刻采用本发明的自适应下垂控制策略,经过一个暂态后,DG1和DG2输出的无功功率实际值分别为2.54kvar和2.48kvar,由图8得到输出的无功功率实际值的比例为1.02,达到功率按DG容量比分配。在0.4s时加入负荷(10+j5)kVA,经过一个暂态后,DG1和DG2输出的无功功率实际值分别为5.01kvar和4.95kvar,输出的无功功率实际值的比例仍为1.01,达到功率按DG容量比分配。该结果表明该自适应下垂控制策略在负荷波动的情况下依然能够实现无功功率实际值按照相同DG容量比例进行均分,大大提高了无功功率实际值失误分配精度,暂态时间短,具有良好的动态性能。
以上仿真实验分析表明,本发明能够解决传统下垂控制中无功功率分配精度的问题。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内;本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,其特征在于:该方法基于微电网系统,微电网系统包括多个分布式电源,分布式电源通过各自对应相连的电压型三相有源逆变器和LC滤波器接入微电网系统的公共节点;在微电网系统上配置有功率控制外环模块和电压电流控制内环模块;该方法的步骤如下:
A、通过功率控制外环模块中的功率计算模块得到第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器输出的有功功率实际值Pi和无功功率实际值Qi;
B、通过功率控制外环模块中的自适应下垂控制器基于第i个分布式电源的无功下垂系数ni和第i个分布式电源的输出的无功功率实际值Qi获得第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值Q期i:
式(3)中,ni为第i个分布式电源的无功下垂系数,根据其自身容量设置;为第i个分布式电源输出的无功功率实际值的分配比例系数;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值;Q期i为第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值;
C、将第i个分布式电源的输出的无功功率实际值Qi和第i个分布式电源稳态时输出的无功功率期望值Q期i输入自适应下垂控制器中的PI控制器,获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量Vi':
Vi'=(kP+kI/s)(Q期i-Qi) (4)
式(4)中,Vi'为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量;kP为PI控制器的比例放大系数;kI为PI控制器的积分比例系数;1/s为PI控制器的积分算子;
D、将第i个分布式电源的微电网系统电压补偿量Vi'与第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值Vi相叠加获得第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值Vi *:
Vi *=Vi+Vi'=VN-ni(Qi-QNi)+(kP+kI/s)(Q期i-Qi) (5)
式(5)中,Vi *为第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值;VN为微电网系统的额定电压;QNi为第i个分布式电源的额定无功功率;
E、自适应下垂控制器将第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi和获得的第i个分布式电源的微电网系统电压补偿参考值Vi *合成为三相电压参考值uref;
F、将步骤E获得的三相电压参考值uref送至电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器得到指令信号,将指令信号经坐标反变换后送入PWM脉冲控制器,PWM脉冲控制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。
3.根据权利要求1所述的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,其特征在于:所述步骤D中的第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值Vi和所述步骤E中的第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值fi基于传统下垂控制方法的控制方程获得,该控制方程如下:
式(2)中,fN为微电网系统额定频率;fi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统频率参考值;VN为微电网系统额定电压;Vi为第i个分布式电源在传统下垂控制时的微电网系统电压参考值;mi为第i个分布式电源的有功下垂系数;ni为第i个分布式电源的无功下垂系数;PNi为第i个分布式电源的额定有功功率;QNi为第i个分布式电源的额定无功功率;Pi为第i个分布式电源输出的有功功率实际值;Qi为第i个分布式电源输出的无功功率实际值。
4.根据权利要求1所述的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,其特征在于:所述步骤F的具体过程为:
F1、将步骤E获得的三相电压参考值uref送至电压电流控制内环模块中的电压电流双环控制器;同时电压电流控制内环模块采集第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc和电容电流icabc,经Clack和Park坐标变换后输入电压电流双环控制器;电压电流双环控制器处理后得到指令信号;
F2、指令信号经Clack和Park坐标反变换后送入PWM脉冲控制器;
F3、PWM脉冲控制器产生开关信号控制电压型三相有源逆变器中功率器件的通断来实现上述指令信号。
5.根据权利要求2所述的基于自适应下垂控制的多分布式电源并联运行方法,其特征在于:第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc经Clack和Park坐标变换的具体过程为:
其中,Clack坐标变换的公式为:
式(6)中,uα和uβ为经过Clack坐标变换所得静止坐标系下的电压值;ua、ub、uc为功率控制外环模块采集的第i个分布式电源对应的电压型三相有源逆变器的输出电压uoabc的三相电压分量;Cabc/αβ为Clack坐标变换矩阵,具体为:
其中Pack坐标变换的公式为:
式(8)中,uod、uoq分别为经Pack坐标变换后的旋转坐标系下的直轴电压分量和交轴电压分量;Pαβ/dq为Pack坐标变换矩阵,具体为:
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