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配电网电力电子装备的互联与网络化技术

来源:UC论文网2018-08-13 08:31

摘要:

  摘要:电力电子技术在电力系统中有着极为广泛的应用。近年来,电力电子技术在配电系统中获得迅猛发展,其主要功能从传统的电能质量调节、可再生能源接入和用户侧的节能用电等,扩展到配电网的电能双向、甚至多向...

  摘要:电力电子技术在电力系统中有着极为广泛的应用。近年来,电力电子技术在配电系统中获得迅猛发展,其主要功能从传统的电能质量调节、可再生能源接入和用户侧的节能用电等,扩展到配电网的电能双向、甚至多向流动控制以及复杂的电能调控管理。因此,电力电子装备传统的独立工作模式已经无法满足越来越复杂的配电网的需要,亟需将相互独立的电力电子设备互联起来以实现整体协调和控制,从而真正做到能量和信息集成的一体化网络。这种发展趋势既给电力电子技术本身带来新的挑战,又为配电网带来新的变革,并促进直流配电网的发展。该文综述了配电网中电力电子设备网络化的重要性及其概念,讨论了电力电子装备的发展方向,并从功率和通信两个层面探讨了电力电子网络化所需的关键技术。同时,介绍了基于电力电子变换器的直流配电网的特点、可能的组成架构以及相关的技术问题。


  关键词:电力电子技术;网络化;配电网;通信;


  作者简介:何湘宁(1961),男,教授,博士生导师,


  0引言


  电力电子技术的迅速发展使大容量变换器具备了能量双向/多向流动能力,同时可以实现各种电能形式的变换、调控和管理。电力电子技术的广泛应用将给电力系统,尤其是配电网和用户端带来深刻变革。电力电子技术与通信技术的结合将成为一种趋势,使得电力电子装备成为能量与信息的一体化集成系统,其核心就是电力电子网络化技术。本文主要讨论了电力电子网络化技术的研究和应用,包括电力电子装备、通信系统和直流配电网等相关领域的问题和挑战。


  1配电网系统中的电力电子装备及应用


  电力系统通常分为发电、输电和配电系统三部分。配电系统又称为配电网,它面向用户,其传统结构是从输电系统接收电能并分配给各个用户。传统配电网有以下特点:1)电力的传输一般是单向的,即向负载端传递[1];2)配电网中有大量电力电子装备以满足用户对电能质量的要求;3)用电负荷中包含了各种电力电子设备以实现电能形式多样化;4)配电网中的配网自动化有信号和数据传输,其通信方式多样,通信速率不一,以满足不同控制需求。


  作为一个时变系统,配电网对用户负荷环境的每个变化都要具有调控和适应能力,电力电子装备的使用能缩短电网的响应时间并增强电网的调控能力[2]。同时,为提高配电网的电能质量,需要各种配电设备在工作频率、阻抗特性、谐波产生等方面满足一定条件。配电网灵活交流输电系统(distributionflexibleACtransmissionsystem,DFACTS)[3]将电力电子技术和现代控制技术结合起来,对电力系统电压、线路阻抗、相位角、功潮流等参数进行快速、连续地调节控制,从而大幅提高输电线路的输送能力和可控性,降低输电损耗,保证安全供电。DFACTS中起关键作用的电力电子设备有:


  1)配网中的串并联同步补偿器。串联装置起着将系统与负荷隔离的作用[4],是面向负荷的补偿方式,用于防止诸如电压波动、不平衡和高次谐波等系统非正常运行对负荷产生影响。并联装置与负荷并联用来抑制负荷(如钢厂、电气化铁道、大型变流器等)所产生的高次谐波、不对称、无功和闪变等有害因素对系统的影响,是面向系统的补偿方式[5]。


  为了充分利用串联和并联补偿器各自的优点,统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,UPFC)将两种补偿方式混合起来使用,使其具备双向补偿功能——既面向系统,又面向负荷。


  2)有源滤波器(activepowerfilter,APF)。是一种实现无功补偿和抑制谐波的电力电子装置[6]。它通过注入与负载谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流,消除非线性负载对电网的影响。APF同样分为并联和串联两种结构,分别面向系统和负荷进行补偿。


  3)固态开关。主要用来隔离电网中的故障,包括固态转换开关(solidstatetransferswitch,SSTS)和固态断路器(solidstatebreaker,SSB)[7]。其中SSTS可在系统发生故障时,在几毫秒之内将负荷由故障母线转换到备用电源;而SSB是当系统发生故障时,将设备从系统中切除。当其与电抗相连时,可用作固态限流器(solidstatecurrentlimiter,SSCL)。


  除了配电线路,用户端也大量应用了电力电子装置。电力电子变换器将电网的交流电转换成各种用户所需的电能形式,达到节能和提高用电质量的目的。例如,电气化铁路中的电机驱动采用IGCT和IGBT等器件[8],整流和逆变环节通过PWM控制,使输入电流功率因数为1,既提高了机车性能,又维持了电网侧的电能质量,并降低了无功补偿和谐波抑制装置的容量。又如在工业电力传动调速系统中广泛使用变频器,以实现电机节电运行。对中小容量风机、水泵、压缩机等采用低压变频调速技术,一般可节能20%~50%;中大容量设备采用高压变频调速技术可节能25%~40%。这对占我国总用电量40%以上电动机耗电而言,其节能效果非常可观。此外,一些对供电质量要求高的场合必须采用电力电子装置。电压调整模块(voltageregulationmodule,VRM)由于其负载动态性能好,广泛用于IT、通信领域的供电[9]。银行、医院、数据中心等场所对供电的可靠性要求很高,必须采用不间断电源UPS以提高供电的安全性[10]。电动汽车和储能装置中,充放电设备是必不可少的。正是由于电力电子装备在用户端具有节能、高性能、负荷特性易于控制等优势,可以预见将来大部分电能在传输到用户端前都会经过电力电子变换设备,这会对配电网产生巨大的影响。但是电力电子设备的大量应用还需要考虑如下问题:


  1)成本。随着功率器件和DSP/MCU的广泛应用和价格不断下降,设备硬件成本不断降低。对于大部分通用电力电子设备,成本将不再成为其推广应用的障碍。但是,传统的电力电子装置设计需要多个领域有经验的研发人员的配合,研发成本很高,尤其对于那些小批量的个性化设备。为了降低研发和制造成本,国内外学者研究电力电子模块单元(powerelectronicbuildingblock,PEBB)[11],力图简化电力电子设备的研发和设计,使其适用于大规模生产,通过提高产量降低整机成本。


  2)可靠性。按成本计算,分布式配电网中电力电子装备的比例一般低于总系统的50%,但目前来说,电力电子设备仍然是总系统中故障率较高的部分。因此,需要通过优化设计技术、精确控制策略和保护机制,来提高电力电子系统的可靠性。


  3)干扰。电力电子设备采用高频斩波技术,较高的dv/dt、di/dt会对电网造成明显的电磁干扰和谐波污染等危害,甚至影响监控系统通信质量。随着软开关和EMC技术的进一步发展,电力电子变换器的电磁干扰将不断降低[12]。


  4)容量。相对于传统的电力系统设备,电力电子变换器的容量相对较小,这是电力电子技术应用于电力系统最大的挑战。尽管多电平多重化技术的变流器达MW至几十MW级,轻型直流输电装备采用可关断器件,已到几百MVA,这些都无法和电力系统装备容量相比较。因此,电力电子设备可处理的功率等级还需要大幅度扩充,提高电力电子装备技术是当务之急。


  2电力电子装备技术的发展


  电力电子技术是基于电力电子器件实现电能变换的技术。一个完整的电力电子系统包含相当宽泛的技术领域,如功率开关器件技术、变换器技术、控制理论、无源元件、封装、EMC、冷却技术等,如图1所示[13]。要使电力电子装备技术在配电网系统得到更好的应用,器件、变换器和系统三个层次都必须同时发展,将对这三个层次展开具体叙述。


  1)器件。


  半导体开关器件是电力电子的基础,包括IGBT、IGCT、SCR等,其电压/电流等级已分别达到6500V,4500A。提高现有器件的水平,发展新型器件是电力电子学科的前沿课题。影响器件性能的因素包括器件材料、器件结构及氧化层形成等相关工艺技术[14]。


  近年来,新型半导体材料如SiC和GaN等宽禁带材料得到迅猛发展,使电力电子器件的工作温度和频率进一步提升。表1给出了Si、SiC以及GaN等三种材料特性的对比[15]。当前SiC主要被用作超高压大功率器件[16],而GaN主要用于制造高频器件,如1MHz以上[17]。随着器件技术发展,各种工艺的进步,开关速度不断提高,开关损耗逐步降低,驱动功率也相应减小。另一方面,随着电力电子设备工作频率和功率密度的提升,无源元件的寄生参数也会对电路性能产生较大影响。在其制作中,磁性元件和绝缘材料的改进不但可以降低损耗,还有助于缩小体积。


  2)变换器。


  从电力电子学科的诞生伊始,变换器技术就不断地向前发展。变换器作为电能的功率处理器,将某种频率、某种幅度的输入电能形式变换成另一种频率和幅值的电能,使电能完全适用于配电网和用户端。如今研究人员已经提出了适用于双向、多向电能流动控制与传输应用的大量拓扑结构。变换器的效率也已经被提升到前所未有的高度,几乎各类变换器的效率均已超过90%,甚至99%这样的高效率也已经不罕见[18]。另外,大功率系统中将多个变换器串联或并联,通过这种方式以提高电压和电流处理能力,来匹配配电网容量。


  3)电力电子系统。


  一些大型电力电子装备往往需要多个变换器以及复杂的辅助电路,这构成了一个电力电子系统。图2为一个典型电力电子系统的框图[19]。系统中有多个变换器进行能量处理,它们彼此可能是串联、并联、级联或者甚至没有直接的电气连接。由于系统规模较大,使用一个控制器无法处理如此庞大而复杂的装备和系统,而且单一控制器也不利于系统的设计、扩展和维护。因此,需要多个控制器同时运行,且往往是分层结构,可分为系统控制器和变换器控制器,如图2所示。系统控制器收集各个变换器的状态信息,并给各个变换器下派指令。


  变换器控制器一般对应单一变换器,保证变换器的正常工作,执行闭环运算、驱动、保护等功能。主控制器分别和每个变换器控制器通信,而变换器之间是否需要通信则根据应用要求而定。


  正是高压大电流电力电子器件以及无源元件组合,构成具有电能双向、甚至多向流动的变换器,并能实现电能的调控管理。这样的电力电子装备在满足配电网和用户端的需要的同时,又为配电网带来新的变革——让直流配电网的实现变为可能。


  3直流配电网


  3.1直流配电网的优势


  随着城市规模的发展,用电量的增大,电网中的敏感负荷、非线性负荷越来越多,交流配电网面临线路损耗大、供电走廊紧张以及电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题[20]。在20世纪电网初建伊始,直流电网方案和交流电网有过激烈的竞争,但由于变压的不便,直流电网方案被淘汰,如今电力电子技术发展迅猛,让直流配电网重新回到人们的视野。相对于交流配网,直流配网有以下优势:


  1)线路容量增大。在同样的线路建造费用或走廊空间的情况下,直流输电的容量是交流输电的150%[20]。同时,直流配电网只需两根线,线损小。直流输电没有集肤效应,导线截面利用充分,而且也没有金属护套涡流损耗和无功损耗。


  2)电能质量提高。直流配电网中,储能装置(如蓄电池、超级电容)的加入,使直流电网变得更稳定,有效的解决了电压闪变问题。柔性直流配电网中的换流器无需交流侧提供无功功率,还能起到静止无功补偿器(staticsynchronouscompensator,STATCOM)作用。


  3)稳定性提升。采用直流输电线路连接两个交流系统,由于直流线路没有电抗,具有隔离故障的能力,所以不存在稳定性问题,提高了运行的可靠性。


  4)可再生能源更易接入。配电网将接纳大量的风能、太阳能、海洋能源等可再生能源发电入网。这些新能源大多是直流输出的系统,若采用直流形式的配电网,可再生分布式能源以及储能设备的接入得到简化,提高效率。


  5)更利于用户电气设备供电。目前,大量智能化电器都是基于直流电源供电的,如电动汽车、服务器、手机等。从直流配网直接给这些电器供电,可提高效率,降低成本。即使如空调、冰箱、微波炉等交流设备,直流配网也有利于变频技术的引入。


  3.2直流配电网的拓扑结构


  直流配电网的基本拓扑主要有环状、放射状和两端配电3种,如图3所示[20]。放射状结构的供电可靠性相对较低,但故障识别及保护控制配合等相对容易;环状和两端配电网络的供电可靠性较高,但故障识别及网络重构比较困难。实际网络拓扑的选择和电压等级要根据工程所需的供电可靠性、供电范围及投资等因素综合考虑。无论哪种网状结构,其电力电子设备都是必不可少的。


  3.3直流配电网关键设备的研制


  在现代柔性直流配电网的建设中,需要研制如下关键设备:


  1)直流变压器。对于直流型配网,传统的交流变压器已无法使用,需要依靠电力电子设备实现直流电压的转换,而这种DC-DC变压器有其自身的特点。首先,电力电子变压器的容量要大,在配网中传统配变电站要承载至少几百kVA甚至MVA的功率;其次,电力电子变压器需要实现中、低电压的转换,这是一种高降(升)压工作场合,以现有配电网来说,一种典型的配电站需要将10kV转换为380V民用电,降压比超过26(25)1;此外,不同电压等级之间的能量方向不定,电力电子变压器需要实现能量双向流动的功能。


  2)大功率AC/DC变换器。为实现直流配网与现有的交流输电网相连,需要在中高压交流输电网和低压配电网之间加入AC/DC变换器。这种AC/DC变换器同样需要实现大容量传送能力、高电压变比、能量双向流动等能力。此外,在应用IGBT、IGCT等可关断器件的情况下,AC-DC变换器还应具备向交流侧提供无功补偿的能力。


  3)直流断路器。它起着隔离故障的作用,对直流配网的安全运行非常关键;但由于直流电流没有过零点,直流断路器比交流断路器难度更大。2012年,ABB公司研制出适用于高压直流输电(high-voltagedirectcurrent,HVDC)的直流断路器,其可以在5ms内断开9kA电流[21]。随着器件技术和相关研究的深入,将会有更大通断能力的装备。


  4)直流开关。在低压直流配网中,对于电磁炉、暖风机等功率较大的负载,现有交流开关、插头不能断开直流电流,不能直接应用于直流配网。因此,直流开关、插座和插头等设备的研发也是一个值得关注的课题[22]。


  4配电网通信系统


  目前,许多智能电力电子装备已具备了一定的信息检测、数据传输、远程控制等功能。但配电网存在大量的电力电子互联装备,要实现电能信息集成一体化,还需要建立更加智能的通信系统。它不但将全网节点的信息汇集起来并下派指令,还能帮助调度端分析和决策[23]。图4给出未来电力系统的三级通信结构[24]。从高压等级到中压等级,从发电端、输电端到主变电站上均有SCADA系统覆盖,这也是现有的电力系统的主要通信方式。调度端和厂、站通过SCADA系统进行实时数据收集和控制命令发送。主要的配网通信是在城市外围或内部的35kV、10kV等中压等级线路上,这一部分不单是简单监测运行数据,更要积极影响配网调控,通过控制电力电子装备,实现主动配网电能管理和调控。在靠近用户端的低压等级,智能电表不仅负责收集用户端的电能数据,还需具备电能质量监测、负载管理和切换负载等主动管理功能。


  目前,还没有任何一种单一的通信方式在合理的性能价格比或功能上,全面满足各种规模和不同信息传输的需要,因此往往需要多种通信方式混合使用。


  图5给出未来配电网的通信系统框图[24]。大型的发电厂、变电站以及控制室由现有的SCADA系统覆盖,主要通过沿电力线铺设的光缆相连,并主要采用成熟的互联网技术。目前的挑战集中在中、低压配电网的通信系统,这一等级的通信节点覆盖程度还很低。因此,不同的技术正在这一方面探索,包括以太网、电力线载波PLC、Zigbee、无线mesh网络、蜂窝网络技术等。


  ZigBee因其简易性、可移动性、高稳定性、低带宽需求、开放的频带和低成本等优势,已成为一种应用于电量管理和智能电表的理想通信方式。内嵌ZigBee的智能电表不但可以检测电量,还能与装有ZigBee的智能家居电器进行通信并控制。但ZigBee数据处理能力不够高,内存容量小以及对延时有苛刻限制。此外,ZigBee通常使用2.4GHz开放频段,容易被其他同样利用这一频带的通信方式干扰,如WiFi和Bluetooth等。


  无线mesh网络是一种包含了若干节点的灵活的网络,新的节点可以随时加进来,并且每个节点除了作为信息的接收端或发送端,还充当路由器的角色。也就是说,每个节点都可以作为信息转发器,一段信息从发送端开始,经过若干个节点的路由,到达网络接入点。无线mesh网络具有自我组织、自我配置能力,以及高扩展性等特点,可以实现网络负载平衡;并且,在城市及市郊,这种多跳路由方式有效的增大了网络覆盖面积,是一种性价比很高的解决方案;但网络容量、衰减和干扰是无线mesh网络的主要挑战。在城市范围内,电表的覆盖范围不足以使无线mesh网络完全覆盖整个区域;其次,由于每个节点都可以作为信息转发器,如果算法不够完善,很可能会形成信息环流,这样无疑增大了额外的通信处理开销,同时降低了通讯带宽。


  蜂窝网络作为一种移动通信网络已经运用较长时间,已是一种成熟的技术。它包括2G、2.5G、3G、4G-LTE、WiMAX等通信技术。现有的蜂窝网络是一个的很好选择,它有利于实现智能电表和变配电站之间或远距离节点间的通信。国内外有很多公司已经展开基于GSM、GPRS、3GCDMA等通信技术应用于电力系统通信的研发,其中包括Verizon公司的应用于智能住宅电网的基于CDMA的解决方案,GE正在研发基于WiMAX的智能电表等。蜂窝网络最突出的优势就是其设施较完善,无需再次投入经费进行基础设施建设和维护。同时,蜂窝网络的覆盖范围很广,无论城市和乡村覆盖面积基本已经达到100%,因此非常适合配电网的通信需求。但由于蜂窝网络往往是公共平台,一旦移动通信业务繁忙,网络堵塞,会降低蜂窝网络的可用性,导致信息传输延时或失败,这是电力系统所不允许的。对此,网络供应商可以为电力系统提供专用的通信网络,以解决和民用通信系统冲突的问题。此外,由于无线蜂窝网络的传输媒介开放,必须采用信息加密技术以保证信息的安全性。


  低压电力线载波技术是依靠电力线为传输媒介的一种专用于电力系统通信的技术。该技术的最大优势是传输媒介无需额外投入,通信覆盖范围达到100%,而且有较高的安全性。电力线载波技术分窄带电力线载波(narrow-bandpowerlinecommunications,NB-PLC)和宽带电力线载波(broad-bandpowerlinecommunications,BB-PLC)两类,设备控制一般采用窄带电力线载波技术,其载波频率不超过300kHz。在法国开展的LinkyMeterProject项目中,电力线载波技术已被用于3500万个智能电表与通信子站的通信方式,而GPRS技术被用于通信子站和通信总站的信息传输。但是,由于低压电力线并非为通信系统设计,其通信环境比较苛刻,易受干扰,长距离传输的信号衰减严重,因此需要通过通信协议的设计以克服传输可靠性问题。另外,通信信号无法通过变电站内的隔离变压器,需要增加额外的设备来传递信号,增加了系统的复杂度。


  数字用户环路DSL技术是应用在有限电话线上的高速传输技术。现有的固定电话基础设施显著减少了通信系统建设的开支,但现有ADSL网络在农村的覆盖范围不高,尤其是偏远地区,而在这些地区铺设传输线和基础设施的成本是很高的[25]。


  目前,电力电子装备的互联采用何种通信方式来统一还没有定论,许多电力电子装备虽然具备了网络或者通信接口,但不同设备生产厂家采用的是不同的协议和标准,无法直接连通。因此,网络标准化的电力电子装备还在发展中。


  5电力电子装备的互联和系统网络化


  如上文所述,虽然近年来电力电子设备被广泛应用于电力系统中,如配网中的DFACTS设备、用户侧的各种用电设备的电源、可再生能源发电的接口等。但是,电网虽然将这些电力电子设备的功率端连在一起,却未能从电网层次协调这些设备的运行,因而无法充分利用电力电子系统应用所带来的电能管理的灵活性和可控性。而随着通信技术的快速发展,这一现状将会改变。如果将每个电力电子设备视为电网中的一个节点,用通信网络把将各个节点连接起来,便可实时收集各个节点的电能状态数据,实时发出节点指令,从总体上协调网络中的所有电力电子设备,这就是电力电子互联网技术。


  一种设想的未来电力系统结构如图6所示[24]。其中,PEBB为电力电子模块;MEBB为机械设备模块;EM为能量管理;Producer为能量产生源;Storage为储能;Load为负载。全网不但包括能量流,还有信息流贯穿各个节点。由于电力电子设备对电能强大的主动调节能力,各种负载、分布式发电端、储能设备以及不同电网之间的接口均由电力电子设备承担,同时参与通信,执行调配命令。


  2011年美国北卡州立大学的FREEDM研究中心提出了能量互联网“EnergyInternet”的概念[26]。它类比信息互联网,将电力电子设备与通信技术结合起来,以构造一种全新的配电网架构,将传统的集中式发电、输电、用电的格局改变为分布式发电、用电的网络。以此为基础构造用户导向的用电网络。同时,强大的通信功能将网络内所有的信息汇集起来,实现实时电价。此结构与智能电网的主要理念不谋而合。


  该能量互联网将应用于配电网中,直接面对民用和工业用户。其架构主要包括三个要素:即插即用的功率接口、能量路由器和基于开放通信协议(如TCP/IP或HTML)的操作系统,这三个要素具体叙述如下。


  1)即插即用的功率接口(见图7)将普通用电器、储能电池、分布式发电等终端接入配电网[26]。该功率接口的基本功能是将不同设备的电能输入形式转换为与电网相匹配的形式,即电能形式转换功能。这表明该功率接口是一个电力电子设备,如储能系统的双向变换器、PV并网逆变器等。作为即插即用的功率接口还需具有通信接口,并支持标准操作协议,可以立刻识别接入电网的终端设备,并将终端设备的信息上传给网络,接受调控指令。


  2)能量路由器(energyrouter),也称为智能能量管理模块IEM,是中压配电网和低压区域网的接口,可以实现能量的双向流动,同时为可再生能源设备提供低压直流母线。能量路由器同样支持通用开放标准的网络协议,实时接收所有功率接口上传的终端信息,并提供终端设备的参考指令。这些指令值的确定取决于当前所有终端设备的工作状态以及中压配电网的指令。同时,能量路由器还肩负着区域低压配电网的电压稳定、低压穿越以及限制故障电流等任务。由于面对的用电户不同,能量路由器的电压等级和功率等级会有所差异。例如针对民用用电户的能量路由器是20kVA[27];而针对工业用户的容量可能达到500kVA,可直接从中压配电网取电,输出三相低压交流母线给用户供电。


  3)开放标准的操作系统,这是个通用的网络协议。所有功率接口和能量路由器均需支持该网络协议,以便将网络内所有的设备加以识别、监测和统一协调[28]。图8给出能量互联网的控制结构图[26]。将通用的网络协议安装到用户的个人电脑或手机上,这样用户可以实时了解家里的用电状况以及上网电价等信息;连接到区域网络的调度中心,实时的用电状况便可以汇总,加以分析并进行主动控制。


  从图8可以看出,能量流和信息流是能量互联网的两个重要组成部分,也是电力电子互联网的基础。随着电力电子设备广泛应用于配电网中,能量层已经初步形成互联基础;通信层还亟待发展,配电网各节点的信息化程度还不够,智能电表等具有通信功能的设备的使用率还较低,其要实现配电网各节点的实时可控,还有待进一步完善。


  6结论


  电力电子装备在配电网中的广泛应用不但为配电网带来了性能提升,而且使其结构发生变革,并使直流配电网成为现实。电力电子技术自身的发展,特别是新型电力电子器件和无源元件性能的提高,双向/多向变流器大容量化,智能控制手段的完善等,使得配电网和用户端采用的电力电子装备都能够满足电能形式多样化和大功率电能交互的需求。各种通信方式的出现和相关技术的发展,并和电力电子技术相结合将可以实现各种电力电子装备的互联,形成电能和信息集成一体化系统,这就是电力电子技术网络化——或者称之为电力电子互联网。电力电子技术网络化要完成功率流和信息流控制、管理还面临许多的挑战,但它作为电能高效利用非常有效的方法和手段在未来配电网中将起着十分重要的作用。


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