CN115173717B - 输入串联输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的方法 - Google Patents
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Abstract
一种输入串联、输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的方法，所述的输入串联、输出并联的固态变压器系统包括在MV侧直流母线和LV侧直流母线之间的n个结构相同的子模块，每个子模块包括一个主功率电路和一个辅助电源电路，所述的辅助电源电路用于将中压侧的辅助电源经过变压器传输至低压侧，以获取低压侧辅助电源。该低压侧辅助电源用于给包括驱动器、控制器、传感器等低压、小功率的辅助模块进行供电。所述的主功率电路和辅助电源电路使用同一个互相解耦的四端口中压绝缘变压器，减小了系统的总体积，提高了功率密度。辅助电源电路采用基于低压侧辅助电源电压波动的双闭环控制，既实现了低压侧辅助电源电压稳压，又实现了输入串联、输出并联的固态变压器系统的均压控制，满足固态变压器的起机要求。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变换器，特别是一种输入串联输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的实现方法。
背景技术
固态变压器(Solid State Trasformer,以下简称为SST)能够将高达数十千伏的中压(MV)降低至几百伏的低压(LV)，SST的工作频率高、电能变换的级数少，因此其整机效率和功率密度都比传统变换器更高。近年来，SST已经被应用到充电桩、分布式电站、数据中心等各类领域，因此对于SST的研究不仅具有学术意义，还有极强的社会应用价值。
实际的中压SST，MV侧的辅助电源和LV侧的辅助电源(以下简称为APS)获取是非常重要的。在中高压的场合下，通常使用多个电容串联的方式，使用ISOP系统对直流母线电压的分压，实现高压大功率的能量传输。目前APS的获取方式主要分为两大类：集中式和分布式。
集中式APS系统由外部电源提供，用于MV侧和LV侧所有的辅助模块的电源供应。这种方式可靠性强，APS的供应与主功率电路无关，但是集中式APS需要绝缘系统中最高的电压等级，这对系统的隔离电压要求较高。
分布式APS系统从每个子模块中的直流母线电容上直接取电，每个子模块的每一侧的APS只需要用于给各自的辅助模块提供电源，因此通常只需要隔离子模块中的最高电压，这对绝缘电压要求大大降低。但是这种方式获取的APS依赖于直流母线电容的充电，因此LV侧APS的获取依赖于主功率电路的工作，使系统不能正常起动。同时，由于APS在应用中具有恒功率负载的特性，在主功率未工作时，ISOP拓扑会导致输入电压不均衡甚至失稳。此外，有研究通过变压器或无线电能传输的形式从MV侧APS获取LV侧APS，虽然它能够解决起机策略的问题，但是该辅助电源系统的绝缘等级与主功率变压器同等级，装置的成本和体积大大增加，并且降低了功率密度(参见[1]D.Cottet et al.,"Integration technologiesfor a medium voltage modular multi-level converter with hot swap capability,"in 2015IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2015,pp.4502-4509。
[2]N.Yan,Q.Chen,D.Dong,and R.Burgos,"Design of Insulation SysteminHigh-Frequency Auxiliary Power Supply for Medium Voltage Applications,"in2020IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2020,pp.3492-3499。)。
现有APS的获取方式，一方面不能满足起机策略的要求，另一方面辅助电源的获取复杂，并且会带来输入电容不均压和不稳定的问题。因此现有的辅助电源获取方法需要进行改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的缺陷，提供一种输入串联、输出并联的固态变压器系统(Input-Series Output-Parallel,以下简称为ISOP)及辅助电源获取与输入电压均压的方法，该系统通过输入串联、输出并联(ISOP)的连接方式提高系统的功率等级，利用集成的四端口中压绝缘变压器在实现主功率传输的同时，实现将MV侧APS传输至LV侧获取LV侧APS，并通过一种基于LV侧APS波动的双闭环控制策略，实现APS的稳定供应与输入电压的均压。
本发明是根据以下技术方案实现的：
一种输入串联、输出并联连接的固态变压系统，其特点在于，该固态变压系统包括在MV侧直流母线和LV侧直流母线之间的n个结构相同的子模块，
第一子模块的构成包括一个分压电容，主功率电路与辅助电源电路共用一个中压绝缘变压器，所述的分压电容的两端分别与一个主功率电路的逆变器的两个输入端连接，该主功率电路的逆变器的输出端通过一个LLC谐振电路与所述的中压绝缘变压器的主功率原边线圈相连，所述的中压绝缘变压器的主功率副边线圈的两端与主功率整流桥的两个输入端相连，所述的分压电容的较高压输入端还与一个反激变换器的输入端相连，该反激变换器具有一个较低压输出端，该较低压输出端的输出电压作为MV APS，与第一辅助模块相连，同时该较低压输出端与辅助电源电路的逆变器的输入端相连，该辅助电源电路的逆变器通过一个LCLC谐振电路连接到所述的中压绝缘变压器的辅助电源原边线圈，所述的四端口中压绝缘变压器的辅助电源副边线圈连接一个辅助电源整流桥，所述的主功率线圈和辅助电源线圈共用一个中压绝缘变压器，所述的主功率线圈和辅助电源线圈具有互相垂直的位置关系；
所述的第1、第2、第3、....、第k、....第n子模块的分压电容分别依次为C1、C2、C3、....、Ck、.....、Cn；
在所述的固态变压系统的输入端，即在所述的MV侧直流母线和地之间所述的第1、第2、第3、....、第k、....、第n子模块的分压电容C1、C2、C3、....、Ck、....、Cn依次串联；在所述的固态变压系统的输出端，所有n个辅助电源整流桥的输出端并联，得到的输出电压作为LVAPS，该并联输出与n个第二辅助模块的输入端相连；所有n个主功率整流桥的两个输出端分别并联后，再与低压侧主功率电路的负载相连。
上述输入串联、输出并联连接的固态变压系统实现辅助电源获取与输入电压均压的方法，该方法在固态变压器系统的主功率电路开始工作之前实施，包括下列步骤：
1)采用基于LV侧APS电压波动的双闭环控制策略，建立输出电压稳压控制内环和输入电压均压控制外环，内环和外环的控制器均使用PI控制器；
2)利用输出电压稳压控制内环，采用移相控制，对所述的辅助电源电路的输出电压(LV侧的APS电压)进行采样，输出电压稳压控制内环的PI控制器将辅助电源电路输出电压的采样值与根据第二辅助模块需要给定的输出电压的参考值(典型值为12V)做差(参考值在控制器中给出，取决于第二辅助模块需要的输入电压，典型值为12V)，做差后得到的误差信号经过内环PI控制器，得到辅助电源电路移相控制的移相角占辅助电源电路逆变器开关周期电角度的比例，进而改变所述的辅助电源电路的逆变器的占空比，实现输出的LV侧APS电压稳定在参考值；
3)利用输入电压均压控制外环，对辅助电源电路高压侧(MV)的电压进行采样，将采样值与参考值做差(为了实现输入电压均压，参考值选取为MV侧n个串联的辅助电源电路的总输入电压与n的比值，可以通过采样计算得到)，做差后得到的误差信号经过所述的输入电压均压控制外环的PI控制器，输出的信号为内环输出电压参考信号的修正值，通过小幅度修正辅助电源电路的输出电压参考值的方式，调节每个子模块传输的功率，使每个子模块传输的平均功率相同，实现ISOP系统中的输入电压均压；在输入电压均压外环的控制作用下，输出的LV侧APS电压会在给定的参考值附近小范围波动，该波动的电压经过线性稳压器后，为LV侧的辅助模块提供稳定的辅助电源电压；线性稳压器的选取取决于辅助电源电路的输出电压的期望值，用于消除辅助电源电路输出电压的波动，提高LV侧辅助模块的工作性能，以满足在SST主功率电路工作前所有的第一辅助模块稳定工作的起机要求。
本发明的技术效果如下：
1、本发明四端口中压绝缘变压器利用环氧材料和铁磁材料，增强主功率线圈之间的耦合，并实现MV侧和LV侧之间的绝缘。通过主功率线圈和辅助电源线圈互相垂直的位置关系，实现了MV侧与LV侧绝缘，并且使主功率线圈与辅助电源线圈之间的耦合系数很小，实现主功率线圈与辅助电源线圈之间的解耦，保证主功率电路和辅助电源电路的工作相互独立。主功率电路与辅助电源电路共用一个变压器，提高了固态变压器系统的功率密度。
2、本发明采用输出电压稳压控制内环，采用移相控制，通过改变辅助电源电路的逆变器的占空比的方式，实现输出的LV侧APS电压稳定在参考值。输入电压均压控制环路作为控制外环，通过小幅度修正输出电压参考值的方式，调节每个子模块传输的功率，实现ISOP系统中的输入电压均压。
3、本控制方法在固态变压器系统的主功率电路开始工作之前完成，保证主功率电路工作前，系统的所有APS稳定供应，满足起机要求。
4、相比现有的技术，本发明中的LV侧APS来源于MV侧APS，能够在SST的主功率传输前使所有发APS稳定供应，保障了主功率电路工作的稳定性和可控性，并且通过简单的控制策略实现了ISOP连接的辅助电源电路的输入电压均压，而不需要额外的硬件电路进行辅助均压。此外，主功率电路和辅助电源电路共用同一个四端口变压器，不需要在辅助电源电路中使用一个额外的变压器，减小了装置的体积和重量，提高了系统的功率密度。
附图说明
图1为本发明SST系统的拓扑结构示意图。
图2为本发明SST系统实施例1的每个子模块的电路原理图。
图3为本发明SST系统实施例中的移相控制的示意图。
图4为本发明SST系统实施例中辅助电源电路的电路图。
图5为本发明SST系统实施例中的辅助电源电路中LV侧APS稳压控制环路采用PI控制的小信号模型的控制框图。
图6为本发明SST系统实施例中的基于LV侧APS波动的双闭环控制的小信号模型控制框图。
图7为本发明SST系统实施例中基于上述双闭环控制下的SST系统的起机策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明输入串联、输出并联连接的固态变压系统的拓扑结构示意图。由图可见，本发明输入串联、输出并联连接的固态变压系统，包括在MV侧直流母线和LV侧直流母线之间的n个结构相同的子模块，
第一子模块的构成包括一个分压电容C1，主功率电路与辅助电源电路共用一个中压绝缘变压器13，所述的分压电容C1的两端分别与主功率电路的逆变器11的两个输入端连接，该主功率电路的逆变器11的输出端通过一个LLC谐振电路12与所述的中压绝缘变压器13的主功率原边线圈131的两端相连，所述的中压绝缘变压器13的主功率副边线圈132的两端与主功率整流桥14的两个输入端相连，该主功率整流桥14具有两个输出端，所述的分压电容C1的较高压输入端还与一个反激变换器15的输入端相连，该反激变换器15具有一个较低压输出端，该较低压输出端的输出电压作为MV APS，与第一辅助模块16相连，同时该较低压输出端与辅助电源电路的逆变器17的输入端相连，该辅助电源电路的逆变器17通过一个LCLC谐振电路18连接到所述的中压绝缘变压器13的辅助电源原边线圈133，所述的四端口中压绝缘变压器13的辅助电源副边线圈134连接一个辅助电源整流桥19，所述的主功率线圈131、132和辅助电源线圈133、134共用一个中压绝缘变压器13，所述的主功率线圈131、132和辅助电源线圈133、134具有互相垂直的位置关系；
所述的第1、第2、第3、....、第k、...、第n子模块的分压电容分别依次为C1、C2、C3、....、Ck、.....、Cn；
在所述的固态变压系统的输入端，即在所述的MV侧直流母线和地之间所述的第1、第2、第3、....、第k、....、第n子模块的分压电容C1、C2、C3、....、Ck、....、Cn依次串联；在所述的固态变压系统的输出端，所有n个辅助电源整流桥19的输出端并联，得到的输出电压作为LVAPS，该并联输出电压与n个第二辅助模块110的输入端相连；所有n个主功率整流桥14的两个输出端分别并联后，再与低压侧主功率电路的负载相连。
上述输入串联、输出并联连接的固态变压系统实现辅助电源获取与输入电压均压的方法，该方法在固态变压器系统的主功率电路开始工作之前实施，包括下列步骤：
1)采用基于LV侧APS电压波动的双闭环控制策略，建立输出电压稳压控制内环和输入电压均压控制外环，内环和外环的控制器均使用PI控制器；
2)利用输出电压稳压控制内环，采用移相控制，对所述的辅助电源电路的输出电压(LV侧的APS电压)进行采样，输出电压稳压控制内环的PI控制器将辅助电源电路输出电压的采样值与根据第二辅助模块110需要给定的输出电压的参考值(典型值为12V)做差(参考值在控制器中给出，取决于第二辅助模块110需要的输入电压，典型值为12V，做差后得到的误差信号经过内环PI控制器，得到辅助电源电路移相控制的移相角占辅助电源电路逆变器17开关周期电角度的比例，进而改变所述的辅助电源电路的逆变器17的占空比，实现输出的LV侧APS电压稳定在参考值；
3)利用输入电压均压控制外环，对辅助电源电路高压侧(MV)的电压进行采样，将采样值与参考值做差(为了实现输入电压均压，参考值选取为MV侧n个串联的辅助电源电路的总输入电压与n的比值，可以通过采样计算得到)，做差后得到的误差信号经过所述的输入电压均压控制外环的PI控制器，输出的信号为内环输出电压参考信号的修正值，通过小幅度修正辅助电源电路的输出电压参考值的方式，调节每个子模块传输的功率，使每个子模块传输的平均功率相同，实现ISOP系统中的输入电压均压；在输入电压均压外环的控制作用下，输出的LV侧APS电压会在给定的参考值附近小范围波动，该波动的电压经过线性稳压器后，为LV侧的辅助模块(110)提供稳定的辅助电源电压；线性稳压器的选取取决于辅助电源电路的输出电压的期望值，用于消除辅助电源电路输出电压的波动，提高LV侧辅助模块的工作性能，以满足在SST主功率电路工作前所有的第一辅助模块16稳定工作的起机要求。
上述的控制方案中，所述的移相控制如图3所示，α为辅助电源电路逆变器17的输出电压的移相角例，VF为反激变换器15的输出电压，vtx和itx分别为逆变器17的输出电压和输出电流，vrx和irx分别为整流桥14的输入电压和输入电流，Ctx和Crx分别为辅助电源电路MV侧和LV侧的谐振电容181、182，Mtr为四端口变压器辅助电源部分的一次侧线圈和二次侧线圈之间的互感，ωr为LCLC谐振电路18的谐振角频率，VAPS和iAPS分别为LV侧APS的输入电压和输入电流。CL和RL分别辅助电源电路的输出滤波电容和缓冲电阻。为了使辅助模块的电压供应稳定，因此在LCLC电路的输出端和APS的输入端之间增加线性稳压器，当辅助模块工况恒定时，其具有横流特性。在移相控制的作用下，LCLC谐振电路的输入电压基波分量与LCLC谐振电路18的输出电流基波分量的表达式如式(1)和(2)所示。在图4所示的辅助电源电路中，由基尔霍夫定律可得式(3)。取开关周期平均后可得辅助电源电路的输出电压表达式(4)。利用小信号分析法，可以得到下列式(5)所示的LCLC电路18接APS时的小信号模型传递函数。
实施例1
图1为本发明SST系统的拓扑结构图。图2为本发明SST系统实施例1的第1子模块的电路原理图。SST系统结构含有多个ISOP连接方式的子模块，第1子模块包括输入分压电容C1、主功率电路半桥逆变器11、主功率电路LLC谐振电路12、四端口变压器中的主功率部分、主功率整流滤波电路、输入侧反激变换器15获取MV侧APS、辅助电源电路全桥逆变器17、辅助电源电路LCLC谐振电路18、四端口变压器中的辅助电源部分、辅助电源电路的整流滤波电路、LV侧APS以及所有的辅助模块110。辅助电源电路中的S1～S4为逆变器的开关器件，VF为反激变换器的输出电压，vtx和itx分别为逆变器的输出电压和输出电流，vrx和irx分别为整流桥的输入电压和输入电流，α为辅助电源逆变器的移相角，Ctx和Crx分别为辅助电源电路MV侧和LV侧的谐振电容，CL和RL分别辅助电源电路输出滤波电容和缓冲电阻。由于LCLC谐振电路18具有恒流输出特性，因此使用缓冲电阻来帮助实现输出电压稳压控制。按照SST系统的传输功率和开关器件耐压等级对SST系统子模块的数量进行选择，并设计每一个组模块中主功率电路的LLC电路参数。SST系统的MV侧APS由反激变换器15的输出电压稳定供应，根据所需要的LV侧APS的电压和功率对辅助电源电路中的LCLC谐振电路18进行参数设计。
图3为本发明中实施例移相控制示意图，图4所示为本发明中的辅助电源电路的电路原理图，图5所示为本发明中的辅助电源电路中LV侧APS稳压控制环路采用PI控制的小信号模型的控制框图，α为辅助电源逆变器17的移相角。本发明的辅助电源电路的全桥逆变器17采用上述移相控制，在小信号模型下，由移相角至输出电压的传递函数为式(5)(5)。在本实施例的移相控制的作用下，通过调节每个子模块中的辅助电源电路的全桥逆变器17的移相角，即可调节输出电压。该控制方法通过对输出电压采样，调节所述的辅助电源电路全桥逆变器17的移相角，并且输出电压在ISOP连接方式的辅助电源电路中被钳位，因此在该控制环路的作用下，当每个模块的控制器参数完全相同时，每个子模块中辅助电源电路的逆变器17的移相角是相同的。由于每个子模块的辅助电源电路的参数会有差别，因此每个辅助电源电路的输出电流有差别，使每个辅助电源电路传输的功率不同，导致系统输入电压不均压。
图6为以包含n个子模块的SST系统中的第k个子模块为例的基于LV侧APS波动的双闭环控制的小信号模型控制框图，图7为基于上述双闭环控制下的SST系统的起机策略示意图。辅助电源电路输出电压的稳压控制实现了LV侧APS的稳定供应，同时造成不同子模块之间输入电压的不均压。辅助电源电路输出电压的参考值进行修正，在对每个辅助电源电路的逆变器17的移相角进行控制时，使每个子模块的输出电压参考值不同，间接控制每个子模块辅助电源电路的输出电流，实现每个辅助电源电路的输出电流的开关周期平均值相等，进而实现不同子模块输入电压的均压。在本实施例的双闭环控制作用下，SST系统的起机策略变得简单可行。本发明SST系统的工作过程如下：
1)当SST系统连接至MV侧直流母线时，每个子模块的反激变换器15启动，并使MV侧所有的APS稳定供应。
2)在MV侧APS的作用下，每个辅助电源电路的逆变器17开始工作，将MV侧APS通过四端口变压器13传输至LV侧，实现LV侧APS的供应。
3)当LV侧APS供应后，LV侧的辅助模块110工作，启动双闭环控制系统开始工作，使LV侧APS稳压，并且实现每个子模块的输入电压均压。
4)主功率电路的启动：当用户从LV侧的控制器发送主功率电路传输功率的指令后，负责主功率电路的辅助模块16开始工作，主功率电路的逆变器11开始工作，主功率电路的能量通过四端口变压器13的主功率绕组131、132从MV侧传输至LV侧，经过主功率电路整流桥14传输至负载，实现了主功率电路的能量传输。至此实现了起机过程。
实验表明，本发明输入串联、输出并联连接的固态变压系统的APS获取方法和输入电压均压的方法，通过使用四端口变压器传输主功率和APS，减小了装置的体积，同时通过基于LV侧APS波动的双闭环控制，实现了APS的稳定供应以及输入电压均压，并且能够简单易行地实现起机策略，具有明显的应用价值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (2)
1.一种输入串联、输出并联连接的固态变压系统，其特征在于，该固态变压系统包括在高压侧(MV)直流母线和低压侧(LV)直流母线之间的n个结构相同的子模块，
第1子模块的构成包括第1分压电容(C1)，主功率电路与辅助电源电路共用一个四端口中压绝缘变压器(13)，所述的分压电容(C1)的两端分别与一个主功率电路的逆变器(11)的两个输入端连接，该主功率电路的逆变器(11)的输出端通过一个LLC谐振电路(12)与所述的四端口中压绝缘变压器(13)的主功率原边线圈(131)相连，所述的四端口中压绝缘变压器(13)的主功率副边线圈(132)的两端与主功率整流桥(14)的两个输入端相连，所述的第1分压电容(C1)的较高压输入端还与一个反激变换器(15)的输入端相连，该反激变换器(15)具有一个较低压输出端，该较低压输出端的输出电压为MV APS并与第一辅助模块(16)相连，同时该较低压输出端与辅助电源电路的逆变器(17)的输入端相连，该辅助电源电路的逆变器(17)通过一个LCLC谐振电路(18)连接到所述的四端口中压绝缘变压器(13)的辅助电源原边线圈(133)，所述的四端口中压绝缘变压器(13)的辅助电源副边线圈(134)连接一个辅助电源整流桥(19)，主功率线圈(131、132)和辅助电源线圈(133、134)共用一个四端口中压绝缘变压器(13)，所述的主功率线圈(131、132)和辅助电源线圈(133、134)具有互相垂直的位置关系；
所述的第1、第2、第3、....第k、....、第n子模块的分压电容分别依次为C1、C2、C3、....、Ck、.....、Cn；
在所述的固态变压系统的输入端，即在所述的MV侧直流母线和地之间所述的第1、第2、第3、....、第k、....、第n子模块的分压电容C1、C2、C3、....、Ck、....、Cn依次串联；在所述的固态变压系统的输出端，所有n个辅助电源整流桥(19)的输出端并联，得到的输出电压为LVAPS，该并联输出电压LVAPS与n个第二辅助模块(110)的输入端相连；所有n个主功率整流桥(14)的两个输出端分别并联后，再与低压侧(LV)主功率电路的负载相连。
2.权利要求1所述的输入串联、输出并联连接的固态变压系统实现辅助电源获取与输入电压均压的方法，其特征在于，该方法在固态变压器系统的主功率电路开始工作之前实施，包括下列步骤：
1)采用基于LV侧APS电压波动的双闭环控制策略，建立输出电压稳压控制内环和输入电压均压控制外环，内环和外环的控制器均使用PI控制器
2)利用输出电压稳压控制内环，采用移相控制，对所述的辅助电源电路的输出电压进行采样，输出电压稳压控制内环的PI控制器将辅助电源电路输出电压的采样值与根据第二辅助模块(110)需要给定的输出电压的参考值做差，参考值在控制器中给出，取决于第二辅助模块(110)需要的输入电压，值为12V，做差后得到的误差信号经过内环PI控制器，得到辅助电源电路移相控制的移相角占辅助电源电路逆变器(17)开关周期电角度的比例，进而改变所述的辅助电源电路的逆变器(17)的占空比，实现输出的LV侧APS电压稳定在参考值；
3)利用输入电压均压控制外环，对辅助电源电路高压侧(MV)的电压进行采样，将采样值与参考值做差，为了实现输入电压均压，参考值选取为MV侧n个串联的辅助电源电路的总输入电压与n的比值，通过采样计算得到，做差后得到的误差信号经过所述的输入电压均压控制外环的PI控制器，输出的信号为内环输出电压参考信号的修正值，通过小幅度修正辅助电源电路的输出电压参考值的方式，调节每个子模块传输的功率，使每个子模块传输的平均功率相同，实现ISOP系统中的输入电压均压；在输入电压均压外环的控制作用下，输出的LV侧APS电压会在给定的参考值附近小范围波动，该波动的电压经过线性稳压器后，为LV侧的辅助模块(110)提供稳定的辅助电源电压；线性稳压器的选取取决于辅助电源电路的输出电压的期望值，用于消除辅助电源电路输出电压的波动，提高LV侧辅助模块的工作性能，以满足在SST主功率电路工作前所有的第一辅助模块(16)稳定工作的起机要求。
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