无功补偿装置应用情况调研报告2.docx
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无功补偿装置应用情况调研报告2
无功补偿装置应用情况
调研报告
目录
1.背景1
1.1.电能质量问题及危害1
1.2.解决方案2
2.SVC技术及设备5
2.1.SVC的基本原理5
2.1.1.TCR的基本原理5
2.1.2.TSC的基本原理6
2.1.3.TCT的基本原理6
2.1.4.SR的基本原理7
2.1.5.TCR+FC的基本原理7
2.1.6.TSC+TCR的基本原理7
2.2.SVC的优缺点8
2.3.SVC的主要应用领域9
2.4.SVC的厂商10
2.5.SVC的发展趋势11
3.SVG技术及设备12
3.1.SVG的基本原理12
3.1.1.SVG主电路的拓扑结构12
3.1.2.SVG基本工作原理12
3.2.SVG的优缺点14
3.3.1.SVG的优点14
3.3.2.SVG的缺点15
3.3.SVG与SVC的性能比较15
3.4.SVG的主要应用领域18
3.5.SVG的厂商18
3.6.SVG的发展趋势19
4.混合式动态无功补偿装置21
4.1.基本原理21
4.2.关键技术21
4.3.特性22
4.4.发展趋势22
1.背景
近年来,各电力用户对电能质量的要求越来越高,对电能应用过程中出现的各种电能质量问题越来越重视。
这是因为一方面现代化生产过程中所使用的各种先进设备对供电质量的敏感性不断增加。
传统的机电设备对供电质量的要求低,能在较大变化范围的供电质量下正常工作,但现代广泛使用的自动化流水线生产线、以微处理器为核心构成的各种电气设备、精密加工仪器、机器人等先进技术,他们能否正常工作都取决于是否有高质量的供电。
一旦出现电能质量问题,轻则造成设备故障,重则造成整个系统的损坏,由此带来的经济损失难以估计。
另一方面大量以提高生产效率,减少环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为主要的电能质量问题的根源。
比如工业系统中各种调速设备正在取代传统的电动机直接驱动方式成为主流,相应地所带来了谐波、无功、闪变、三相不平衡等电能质量问题。
也就是说新型的电力电子设备具有双面性,它既是电能质量的敏感对象,也是电能质量的污染源。
基于电力电子新技术成功解决实际生活环境中看得见的污染的同时造成了电力系统中看不见的污染,污染问题不是得到了解决,而是在一定程度上进行了形式的转换。
因此用户端大量非线性负荷正式成为新型电能质量恶化的主要因素。
不论是低压小容量家用电器还是高压大容量工业交直流变换装置中存在的各种变流器,它们都以开关方式工作,会引起电网电流、电压波形的畸变。
如电弧炉、弧爆设备等是主要的冲击源、谐波源和不平衡源。
电能质量是一个本身模糊的概率,所以不同的人从不同的角度出发给出了许多不同的定义,但是电能质量可用功率因数、电压波动、谐波含量、闪变、负序电流和三相不平衡度等指标来表示。
1.1.电能质量问题及危害
在我国当代的主要电能质量问题是无功和谐波,涉及负序和电压波动和闪变等方面,主要表现如下:
(1)功率因数
功率因数是供用电系统的一个重要技术经济指标,用电设备在消耗有功功率的同时,还需要大量的无功功率功率由电源端送给负荷,功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。
用电设备大都为感性负荷,功率因数低引起线路电流增大,使得供配电设备的容量不能充分利用,降低了系统的供电能力;电流有效值增大,使得设备和线路的损耗急剧增加、电压损失加大,使得负载端的电压质量下降;对发电机而言,无功电流增大,使电机的去磁效应增加,端电压降低,使得发电机的出力降低。
(2)谐波含量
工业的发展使得越来越多的电力电子设备及其非线性负荷在电网中获得应用,这也使得谐波污染问题更加凸显出来。
谐波不仅会造成电网污染和危害电力系统正常运行外,还会带来大量谐波损坏,浪费能源,并危害各种节电设备。
谐波会引起电网的附加损耗,一般来说,谐波电流和基波电流相比所占比例不大,但是谐波频率高,导线的集肤效应使得谐波电阻增加很多,因此由谐波产生的损耗也大;谐波会引起旋转电机和变压器的附加损耗,谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗过热,其次是产生机械振动、造成和谐波过电压,这些都会缩短电机或变压器寿命,严重时还会损坏电机或变压器谐波对电力设备的危害大,谐波存在会对电力设备造成损坏,加速绝缘老化,谐波叠加后的电压峰值会降低其绝缘性能,严重的谐波过流使得设备的损耗增加,发热加剧;谐波干扰通讯和继电保护等设备,谐波对计算机、通讯、继电保护、电表等弱点设备进行干扰,影响正常的工作和生活。
(3)负序电流
由于单相负荷和三相不对称负荷的使用,产生了较大的负序电流。
较大的负序电流使得旋转电机产生逆向旋转磁场,导致转子产生谐波电流,电机热功率增大,功率降低;负序还容易导致电力系统以负序为启动的继电保护误动作;负序造成电力系统容量和设备容量利用率低,还造成附加损耗,造成电压不对称,降低发电机和电动机出力等不良影响。
(4)电压波动和闪变
电压波动和闪变的出现是供电系统的特征造成的,任何负荷的改变都会造成电压的波动。
波动和闪变主要是由于负荷在0.01秒到数十秒时间内重复反复变动,或由于偶然暂态过程,如电机启动造成。
如果这类负荷容量较大将足以通过公共阻抗引起同一公共母线连接点处的电压波动和闪变。
大型冶炼厂的电弧炉、大型采矿转绕电动机工作具有不确定性和重复性,是主要的波动和闪变来源。
波动和闪变的主要危害是损害人体的健康和视觉功能。
因波动和闪变造成的白识灯发光不稳定,计算机显示屏闪烁将影响人的视力。
因此,电能质量问题给电力系统和用户都造成了多方面的危害。
这些危害轻则造成电能损耗的增加和产品质量的下降;重则造成企业的生产中断和停顿,甚至发生电网解列,出现像美加大那样的停电事故,破坏经济、社会和生活的正常秩序,造成重大的经济损失和深远的社会影响。
这种巨大的无形损失远大于直接损失动态电能质量问题已经成为目前影响供电可靠性的主要干扰,这是现代信息化社会供电质量问题不同于以往任何时代的特征。
如何改善动态电能质量问题将是提高供电质量至一个全新水平的关键所在。
1.2.解决方案
现代电能质量问题因电力电子技术的应用而产生,而治理这些电能质量问题也可以通过基于电力电子的补偿技术来解决。
针对当前最突出的无功问题采用无功补偿技术,釆用电力电子装置就近吞吐无功从而是提高功率因数。
无功补偿装置有串联补偿和并联补偿两种,串联补偿需将补偿装置串入高压系统,对补偿装置的耐压水平和可靠性有很高需求,一旦补偿装置发生故障,将会导致整条线路的故障,增加电网的风险性。
而并联补偿出现故障只会影响补偿效果,并不会造成停电停产的问题,在电力电子及其控制技术还不完善的今天,并联补偿是配电网补偿的首选。
1.
1.1.
1.2.
目前,采用较为广泛的并联无功补偿方式主要有以下几种:
(1)同步调相机
同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表。
同步调相机不仅能补偿固定的无功功率,而且对变化的无功功率也能进行动态补偿。
在过励磁运行时,它向系统供给感性无功功率,提高系统电压;在欠励磁运行时,从系统吸收感性无功功率,降低系统电压。
至今在无功补偿领域中这种装置还在使用,但其运行维护比较复杂,且总体上说这种补偿手段已显落后。
(2)开关投切电容器(MechanicallySwitchedCapacitor-MSC)
设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一,目前在国内外得到广泛应用。
这种方法有集中补偿、分散补偿、就地补偿三种方式。
设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。
但由于电容器供给的无功功率与节点电压成正比,当节点电压下降时,供给无功反而减少,无功功率调节性能较差,还有可能与系统发生并联谐振异致谐波放大。
(3)静止无功补偿器(StaticVarCompensator-SVC)
静止无功补偿装置或称SVC,是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置。
1967年,第一台静止无功补偿装置在英国研制成功以后,受到世界各国的广泛重视,西德、美国、日本、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制、大力推广,使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力,广泛用于电力、铁道、科研等部门,成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压、改善运行条件的有效设备。
随着柔性交流输电(FACTS)概念的提出,特别是电力电子技术得到长足发展以后,静止无功补偿装置(SVC)有了很好的发展。
在工业界,静止无功补偿装置通常是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置,它包括晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapcitor-TSC),晶阐管控制的电抗器(ThyristorControlledReactor-TCR),可控硅控制高漏抗变压器(ThyristorControlledTransformer,TCT),自饱和电抗器(SaturatedReaetor,SR)及其通过相互结合改装的的静止无功补偿器(TCR+FC和TSC+TCR)。
(4)静止无功发生器(StaticVarGenerator-SVG)
使用晶闸管对电抗器进行实时控制和投切,构成晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC),可以根据电网中无功功率的状况进行补偿。
但在实际应用中,SVC离不开具有时滞特性的大容量器件,不能做到瞬时无功控制。
随着大功率全控型晶闸管(GTO)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的出现,特别是相控技术、脉宽调制技术(PWM),四相限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展,一种以此为基础的更为先进的无功补偿装置——静止无功发生器(SVG)出现了。
其基本原理就是将换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。
无功补偿装置的发展历程如图1.1所示。
图1.1无功补偿装置发展历程
目前,由于电能质量要求不断提高,电网不断发展,对无功补偿装置的性能也更加严格,所以同步调相机和并联电容器的应用逐渐减少,SVC和SVG成为重点研究和开发对象。
2.SVC技术及设备
2.1.SVC的基本原理
SVC具有多种形式,其中被广泛运用的主要有TCR、TSC、TCT、SR以及TCR+FC和TCR+TSC等。
2.
2.1.
2.1.1.TCR的基本原理
TCR的基本工作原理图如2.1(a),其单相结构就是两个反并联的晶闸管串联电抗器,通过控制晶闸管的触发延迟角来调节电抗器吸收的无功功率。
图2.1TCR工作原理
其中,串联电抗器的等效电纳与晶闸管的触发延迟角存在如下关系:
(2.1)
式中
,α为晶闸管的触发延迟角;
当增大晶闸管的触发延迟角时,依公式(2.1)可知,此相当于减小了串联电抗器的等效电纳,也就相当于减小了流过电抗器电流的基波分量,从而减小了电抗器所吸收的无功功率。
三相的TCR接线通常采用三角形联结。
这样的电路并联到电网上,就相当于三相交流调功电路。
在实际工程中还常常将每一相的电抗分成如图2.2(a)所示,分别接在晶闸管对的两端。
这样可以使晶闸管在电抗器损坏时能得到额外的保护。
图2.2TCR的接线方式
2.1.2.TSC的基本原理
TSC的单相电路是由两个反并联的晶闸管串联电容器及可以抑制冲击电流的小电感构成,如图2.3(a)。
反并联的晶闸管主要是起着将电容器投入电网或从电网断开的作用,而串联的小电感则是为了抑制电容器投入电网时所造成的冲击电流,一般在电路图中省略不画。
图2.3即是TSC的基本原理图。
图2.3TSC基本原理图
在工程实践中,通常将电容器分成几组,每组都可由晶闸管投切,如图2.3(b)所示,由电网无功需求来决定需要投切电容器的组数。
所以,TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态补偿器。
根据投入组数的不同,其对应的电压电流特性图也会有所不同,图2.3(c)中的OA,OB,OC反应了这一点。
当TSC用于三相电路时,可以是三角形联结,也可以是星形联结,每一相都接成图2.3(b)那样。
2.1.3.TCT的基本原理
具有TCR的几乎所有优点。
由于TCT变压器一、二次绕组损耗较大,比TCR的效率低,同时,运行时,噪声较大。
研究表明,从补偿器容量和价格等角度进行综合比较,补偿容量在25MVar以下选用TCT比较经济,在25MVar以上的补偿容量则不宜采用TCT而应采用TCR。
TCT的可控硅采用并联均流可承受大电流,TCR的可控硅则采用串联均压以承受高电压。
高漏抗变压器的漏磁大,要加强变压器箱体对漏磁的屏蔽和采用无磁性夹件等技术措施。
当电弧炉等三相不平衡负荷以TCT作无功补偿时,如果将TCT的高漏抗变压器做成三相变压器型式,则其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁芯磁路。
2.1.4.SR的基本原理
饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种,相应的无功补偿装置也就分为两种。
具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压,它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。
可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁心的饱和程度,从而改变工作绕组的感抗,进一步控制无功电流的大小。
但是由于这种装置中的饱和电抗器造价高,约为一般电抗器的4倍,并且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态,铁心损耗大,比并联电抗器大2-3倍,另外这种装置还有振动和噪声,而且调整时间长,动态补偿速度慢,由于具有这些缺点,所以饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少,一般只在超高压输电线路才有使用;
2.1.5.TCR+FC的基本原理
TCR+FC型SVC由TCR装置和FC滤波支路组成。
其中TCR装置采用移相触发方式控制电抗器的输入电压,从而控制TCR的电流与无功功率,FC滤波支路输出定量容性无功功率,同时吸收负载谐波电流和TCR产生的谐波电流。
如图2.4所示。
图2.4TCR+FC基本原理图
2.1.6.TSC+TCR的基本原理
结合TSC和TCR的各自的优点,可构成投切时间可精确控制,投入冲击电流小,无功功率可连续调节的动态无功功率补偿器,即TSC+TCR的无功功率补偿器,也称为混合型静止补偿器。
它包括一组晶闸管控制电抗器和多组晶闸管投切电容器,如图2.5(a)所示。
图2.5(b)为该类补偿器的电压电流特性图。
图2.5TSC+TCR基本原理图
2.2.SVC的优缺点
SVC相对于传统的同步调相机,在性能上具有很大的优势,针对每种不同形式的SVC,其所具有的优缺点又各不相同。
(1)TCR具有反应时间快(10、20ms),无级调节,运行可靠,分相调节,平衡有功,适用范围广,价格较便宜等优点,实际应用最广,在控制电弧炉负荷产生的闪烁时,几乎都采用这种型式。
(2)TSC的特点是反应时间快,适用范围广,分相调节装置本身不产生谐波,损耗小;但它只能分级调节,价格较高。
10kV以上难以广泛应用,1kV以下使用很广,进口设备最高用在8kV。
(3)TCR+FC型补偿器由TCR和若干组不可控电容器并联而成。
通过控制与电抗器串联的双向晶闸管的导通角,既可以向系统输送感性无功电流,又可以向系统输送容性无功电流。
由于该补偿器响应时间快(小于半周波),灵活性大,而且可以连续调节无功输出,所以目前在国内的电力系统中应用最为广泛。
但该补偿装置输出的电流中含有较多的高次谐波,而且电抗器体积大,成本也比较高。
(4)TSC+TCR
TCR+FC型和TSC型补偿器都能有效的补偿系统中的无功电流,但各有自己的缺点,TCR+FC型补偿器容易产生谐波,而TSC型补偿器对于冲击性负荷引起的电压闪变不能进行很好的抑制。
二者的缺点正是对方的优点,所以TCR十TSC型补偿器应运而生。
由TCR提供可调的感性无功功率,FC提供容性无功功率,同时作为5、7次谐波的滤波器,当FC提供的容性无功不足时,TSC投入运行。
武汉凤凰山50OkV变电站采用的就是TSC+TCR型补偿器。
表2.1目前常用的几种SVC性能比较
注:
TCR、TCT和TSC结合起来,可能取得较好的技术经济效果;动态响应时间仅指扰动开始到补偿回路开始动作的时间;自身谐波是指三相平衡工况下,SVC本身产生的谐波;吸收谐波能力主要取决于容性部分滤波器的设计;SR噪声大,一般需要通过特殊设计隔音间来改善;表中列出的损耗是指大中型装置(20MVA及以上)的额定损耗;若容量较小(如10MVA以下),则损耗将增大。
2.3.SVC的主要应用领域
目前广泛应用于国内输变电系统的SVC在无功补偿、改善电压不平衡度、抑制电压闪变等诸多方面性能优良,性价比和开发难度都比较适合我国国情,是国内改善电能质量的首选功补装置。
开发研制SVC在实际工程实践中主要有以下应用:
(l)SVC在电弧炉中的分相补偿:
电弧炉作为非线性及无规律负荷接入电网,将会对电网产生一系列不良影响,其中主要影响有:
导致电网三相严重不平衡,产生负序电流,产生高次谐波,其中普遍存在如2、4偶次谐波与3、5、7次等奇次谐波共存的状况,使电压畸变更为复杂化,存在严重的电压闪变,功率因数低。
SVC具有快速动态响应速度的特点,它可向电弧炉快速提供无功电流并且稳定母线电网电压,最大限度地降低闪变的影响,SVC具有的分相补偿功能可以消除电弧炉造成的三相不平衡,滤波装置可以消除有害的高次谐波并通过向系统提供容性无功来提高功率因数。
(2)轧机及其它大型电机的无功补偿:
大型负载引起电网电压降及电压波动,严重时使电气设备不能正常工作,降低了生产效率,使功率因数降低:
负载在传动装置中会产生有害的高次谐波,主要是以5、7、11、13次为代表的奇次谐波,会使电网电压产生严重畸变。
安装SVC系统可解决上述问题,保持母线电压平稳,无谐波干扰,功率因数接近1。
(3)城市二级变电站(66kV/rokV):
在区域电网中,一般采用分级投切电容器组的方式来补偿系统无功,改善功率因数,这种方式只能向系统提供容性无功,并且不能随负载变化而实现快速精确调节。
尽管能保证母线的功率因数,但却容易造成向系统倒送无功,抬高母线电压,危害用电设备及系统稳定性。
TCR结合固定电容器组FC或者TCR+TSC可以快速精确的进行容性及感性无功补偿,稳定母线电压、提高功率因数。
并且,在改造旧的补偿系统时,在原有的固定电容器组的基础上,只需增加晶闸管相控电抗器(TCR)部分即可,用最少的投资取得最佳的效果,成为改善区域电网供电质量的最有效方法。
(4)电力机车供电:
电力机车运输方式在保护环境的同时也对电网造成了严重的“污染”,因电力机车为单相供电,这种单相负荷就造成了供电网的严重三相不平衡及低的功率因数,目前世界各国解决这一问题的唯一途径就是在铁路沿线适当位置安装SVC系统,通过SVC的分相快速补偿功能来平衡三相电网,并通过滤波装置来提高功率因数。
2.4.SVC的厂商
早在1967年,英国就制成了具有饱和电抗器的静止无功补偿装置,属于第一批静止补偿器。
后来美国通用电气公司(GE)也制成了这样的静止无功补偿装置。
自上个纪70年代SVC开始投入商业运行以来,30多年间世界各国都不断有大容量SVC投入运行并取得可观的收益。
世界上第一台SVC是美国GE电气公司制造的输电系统补偿用SVC,于1978年投网使用。
美国的GE公司、BBC公司(现为ABB公司)和51emens公司先后开发出了TCR型SVC装置,并开始应用于工业用户和输配电领域。
截止到2000年,全世界已有超过400套、总容量约为60Gvar的SVC在输配电系统中运行,全世界已有超过600套、总容量约为40Gvar的SvC在工业部门使用。
但是国外有资料记载的绝大多数SVC项目,特别是100MVar以上的大容量项目,都是由少数大型的跨国公司如ABB、Alstom、Siemens和东芝、三菱等公司承接的。
我国在20世纪80年代初期由机械部和电力部联合引进了BBC公司的TCR型SVC动态无功补偿技术,并经过多年的努力在大冶钢厂投入使用,但由于其控制器和调节器采用的是模拟技术,冷却系统采用半封闭开放式手动方式,自动化程度和装置的可靠性较低,因此没有得到广泛使用。
90年代中期,我国又引进了乌克兰的TCR型SVC动态无功补偿技术,其价格较低,在一定时期内赢得了市场,但其控制器和调节器以分立元件为主,采用脉冲变压器隔离的电磁触发方式,通过风冷式热管散热,在补偿容量较大时晶闸管的结温较水冷散热方式高30a以上,装置故障率较高,也限制了其应用范围。
进入90年代后,随看电力电子技术的不断发展和控制技术的不断提高,ABB,Siemens、东芝、三菱等大公司的全数字化大容量TCR型SVC装置进入了实用化阶段,装置的可靠性和无功补偿的效果得到了明显提高,SVC在工业领域和输配电领域得到了前所未有的高速发展。
2.5.SVC的发展趋势
国内SVC的研究主要集中在以下两个方面:
一是控制所需信号的提取和算法的改进,二是SVC控制器的设计。
控制所需信号的提取,已由传统的模拟电路变为现在广泛应用的瞬时多通道同时数字采样电路,提高了信号的抗干扰能力和测试的精度及准确性。
SVC控制器也由模拟电路、单片机、PLC,发展到现在的以数字信号处理器(DigitalSignalProeessor,DSP)为核心的数字化控制系统,信号处理速度更快,广泛采用瞬时无功理论来计算补偿对象的无功功率,同时,控制目标多样化。
目前,国内外SVC控制器的研究多集中于控制策略上。
模糊控制、人工神经网络、基因遗传算法专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统,使得SVC的系统性能更加提高。
从主电路上讲,更多注意于自换相桥式电路拓扑结构的STATCOM的研究。
美国电力研究院还进一步提出了统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController,UPFC)。
3.SVG技术及设备
SVG的发展源于SVC,又不同于SVC,其具有自己独特的原理性能。
3.1.SVG的基本原理
3.
3.1.
3.1.1.SVG主电路的拓扑结构
SVG的主电路有电压型桥式和电流型桥式两种类型。
直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。
对电压型桥式电路,还需要串联连接电抗器才能并入电网,电抗器能滤除装置投入时产生的谐波;对电流型桥式电路,还需要在交流侧并联上吸收换相产生的过电压电容器。
其电路基本结构分别如图3.1所示。
a)采用电压型桥式电路b)采用电流型桥式电路
图3.1SVG的电路基本结构图
在单相电路中,在负载和电源之间来回往返的是与基波无功功率有关的能量。
但在三相平衡的系统中,不论负载功率因数是多少,三相瞬时功率的和是一定的,在任何时刻都等于三相总的有功功率。
总的来看三相电路中电源和负载之间没有无功能量的传递,各相的无功能量是在三相之间来回往返的,在总的负载侧也就无需设置无功储能元件。
因此,需要将三相各部分统一处理,而SVG正是将三相的无功功率统一处理的装置。
理论上来说,SVG直流侧无需储能元件,但由于实际电路中存在谐波,能量会在SVG与电源之间交换。
因此,通常会在SVG的直流侧接上一定容量的储能元件(电容或电感),但这种储能元件的容量远比SVG所能提供的无功容量小的多。
SVC所需储能元件的容量要大于等于其能提供的无功功率的容量。
因此,同容量条件下,就储能元件的体积大小而言SVG要比SVC要小的多。
电流型桥式电路发生短路故障时危害比较大,且效率低。
所以在实际工程应用中大都采用电压型桥式电路。
本文也将只对采用自换相的电压型桥式电路的SVG进行研究。
3.1.2.
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