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        有源濾波器在高壓直流輸電中的應(yīng)用

        2014-07-02 13:02:05許暉尹忠東
        科技視界 2014年10期
        關(guān)鍵詞:諧波

        許暉 尹忠東

        【摘 要】高電壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電的任務(wù)上擔(dān)當(dāng)了重要角色。然而其兩側(cè)換流站由于存在很多大容量換流閥,使得注入系統(tǒng)的諧波非常嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性。而現(xiàn)在大多使用的濾波設(shè)備都是傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器,由于其調(diào)諧頻率的限制,仍會(huì)有其他次諧波注入系統(tǒng),而用有源濾波器(APF)則能有效改進(jìn)濾波效果。本文闡述了APF的工作原理及其適用限制,提出了使用混合型APF進(jìn)行濾波的方案。通過(guò)此方案可以在控制成本的同時(shí),提高濾波效果。

        【關(guān)鍵詞】有源濾波器;高壓直流輸電;換流;諧波

        0 引言

        我國(guó)用電負(fù)荷與發(fā)電能源的分布很不均衡,東部地區(qū)負(fù)荷多而能源少,西北、西南地區(qū)能源多而負(fù)荷少。在能源中心建立大火電、水電基地,大容量、遠(yuǎn)距離將電能輸送到負(fù)荷中心是解決該矛盾的較好途徑。這就需要建立全國(guó)能源傳輸通道,進(jìn)行“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的部署。高壓直流輸電可遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能,適合大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián),具有功率損耗小,線路造價(jià)低,功率調(diào)節(jié)迅速靈活,不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

        高壓直流輸電的換流站通常采用的是12脈動(dòng)換流裝置,脈動(dòng)次數(shù)越多,諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動(dòng)數(shù)來(lái)繼續(xù)減小諧波,其控制系統(tǒng)會(huì)非常復(fù)雜,投資也會(huì)大幅增加,而濾波效果卻增加的不明顯。12脈動(dòng)換流裝置在直流側(cè)產(chǎn)生的諧波電壓、諧波電流主要是12k次,在交流側(cè)產(chǎn)生12k±1次特征諧波。諧波電流在系統(tǒng)中引起諧波電壓,降低了系統(tǒng)的電壓質(zhì)量,并帶來(lái)其他危害[1]。由于靜電感應(yīng),電磁感應(yīng)及傳導(dǎo)耦合,線路上的諧波電流還會(huì)干擾通信線路上的傳輸信號(hào),其帶來(lái)的電磁污染產(chǎn)生的過(guò)高可聽(tīng)噪聲易使附近居民或工作人員感覺(jué)煩躁不安[2]。因此,研究如何消除直流輸電線路對(duì)鄰近通訊線路的干擾,有效抑制HVDC中的諧波,具有重要的實(shí)際意義。然而目前廣泛采用的無(wú)源濾波器(PF)卻有自身無(wú)法克服的弊病。會(huì)產(chǎn)生諧波放大,并且即使不出現(xiàn)諧振,PF的濾波效果也十分有限[3]。本文從APF的濾波原理、混合型APF、控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行了分析,論述了其在HVDC系統(tǒng)中作為補(bǔ)償裝置的可行性。

        1 有源濾波器

        有源濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成:指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。

        其基本工作原理是,檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令,信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后,得出補(bǔ)償電流,此電流與需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流幅值相等方向相反,兩者相互抵消,最終得到期望電流[4]。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負(fù)載引起的。而直流濾波,是希望濾除負(fù)載中直流分量以外的所有紋(諧)波分量,這些紋(諧)波分量主要是由直流電源(一般是由交流電源整流獲得)中的紋波電壓分量在負(fù)載中引起的。而通過(guò)傅里葉分析可知,直流系統(tǒng)中的紋波分量也是由各次諧波分量構(gòu)成的。在這個(gè)意義上講,交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中抑制諧波的目的是相同的:抑制不希望在電源或負(fù)載中出現(xiàn)的諧波分量。

        有源濾波器有并聯(lián)和串聯(lián)兩種接入方式。其中并聯(lián)方式是應(yīng)用的最多的一種,其主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源。而串聯(lián)型主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源[5]。由于整流變換器直流側(cè)諧波等效為諧波電壓源,參照諧波源與有源濾波器補(bǔ)償效率的相關(guān)結(jié)論,理論上對(duì)于直流端電壓諧波,串聯(lián)型APF有較好的治理效果[6]。然而串聯(lián)型APF意味著器件將承受與高壓直流輸電系統(tǒng)相同的高電壓,大電流,這又使得絕緣困難,成本增加。直流APF的提出和研究時(shí)間沒(méi)有交流APF那么長(zhǎng),因此目前是將APF應(yīng)用在整流橋的直流側(cè)進(jìn)行濾波。

        為了改進(jìn)其電路特性,可以將APF與電容電感(無(wú)源濾波器)串聯(lián)后,并入系統(tǒng),形成一種混合型濾波器,這樣APF在高壓直流輸電中承受的電壓和電流都會(huì)降低,其容量將大大減小。如果能先用無(wú)源濾波器濾去主要的低次諧波(12次、24次),再用APF將濾去沒(méi)有濾凈的諧波,就能充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì),提高整體的濾波效果。

        APF的控制策略如圖1所示:

        從以上分析可知,d軸參考電流i1def包括有功電流參考值i*1d、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膁軸諧波電流的參考值i*1dh和直流電壓外環(huán)加入的d軸參考值。q軸參考電流i1qref包括無(wú)功電流參考值i*1q、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膓軸諧波電流的參考值i*1qh。采用直接電流控制,換流器交流電流完全追隨參考電流變化時(shí),就可以完成有功功率、無(wú)功功率和諧波三個(gè)量的協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)在傳遞功率的同時(shí)完成濾波的功能[7]。

        2 結(jié)束語(yǔ)

        有源濾波器與無(wú)源濾波器構(gòu)成混合濾波器,可以對(duì)高壓直流輸電直流側(cè)諧波電流進(jìn)行更嚴(yán)格的過(guò)濾,不但效果非常理想,還可以使有源濾波器承受更低的電壓、電流,降低對(duì)容量的要求。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]謝小榮,姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.

        [2]黃道春,魏遠(yuǎn)航,鐘連宏,皇甫成.我國(guó)發(fā)展特高壓直流輸電中一些問(wèn)題的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(8).

        [3]張翔.高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)交流側(cè)的諧波抑制[D].廣西大學(xué),2004.

        [4]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,王躍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

        [5]楊曉萍.高壓直流輸電與柔性交流輸電[M].中國(guó)電力出版社.

        [6]李輝,吳正國(guó).HVDC系統(tǒng)中低成本串聯(lián)混合型直流有源濾波器[J].高電壓技術(shù),2010,36(9).

        [7]孫栩,孔力.帶有源濾波功能的新型高壓直流輸電系統(tǒng)的研究[J].高壓電器,2008,44(1).

        [責(zé)任編輯:丁艷]

        【摘 要】高電壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電的任務(wù)上擔(dān)當(dāng)了重要角色。然而其兩側(cè)換流站由于存在很多大容量換流閥,使得注入系統(tǒng)的諧波非常嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性。而現(xiàn)在大多使用的濾波設(shè)備都是傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器,由于其調(diào)諧頻率的限制,仍會(huì)有其他次諧波注入系統(tǒng),而用有源濾波器(APF)則能有效改進(jìn)濾波效果。本文闡述了APF的工作原理及其適用限制,提出了使用混合型APF進(jìn)行濾波的方案。通過(guò)此方案可以在控制成本的同時(shí),提高濾波效果。

        【關(guān)鍵詞】有源濾波器;高壓直流輸電;換流;諧波

        0 引言

        我國(guó)用電負(fù)荷與發(fā)電能源的分布很不均衡,東部地區(qū)負(fù)荷多而能源少,西北、西南地區(qū)能源多而負(fù)荷少。在能源中心建立大火電、水電基地,大容量、遠(yuǎn)距離將電能輸送到負(fù)荷中心是解決該矛盾的較好途徑。這就需要建立全國(guó)能源傳輸通道,進(jìn)行“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的部署。高壓直流輸電可遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能,適合大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián),具有功率損耗小,線路造價(jià)低,功率調(diào)節(jié)迅速靈活,不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

        高壓直流輸電的換流站通常采用的是12脈動(dòng)換流裝置,脈動(dòng)次數(shù)越多,諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動(dòng)數(shù)來(lái)繼續(xù)減小諧波,其控制系統(tǒng)會(huì)非常復(fù)雜,投資也會(huì)大幅增加,而濾波效果卻增加的不明顯。12脈動(dòng)換流裝置在直流側(cè)產(chǎn)生的諧波電壓、諧波電流主要是12k次,在交流側(cè)產(chǎn)生12k±1次特征諧波。諧波電流在系統(tǒng)中引起諧波電壓,降低了系統(tǒng)的電壓質(zhì)量,并帶來(lái)其他危害[1]。由于靜電感應(yīng),電磁感應(yīng)及傳導(dǎo)耦合,線路上的諧波電流還會(huì)干擾通信線路上的傳輸信號(hào),其帶來(lái)的電磁污染產(chǎn)生的過(guò)高可聽(tīng)噪聲易使附近居民或工作人員感覺(jué)煩躁不安[2]。因此,研究如何消除直流輸電線路對(duì)鄰近通訊線路的干擾,有效抑制HVDC中的諧波,具有重要的實(shí)際意義。然而目前廣泛采用的無(wú)源濾波器(PF)卻有自身無(wú)法克服的弊病。會(huì)產(chǎn)生諧波放大,并且即使不出現(xiàn)諧振,PF的濾波效果也十分有限[3]。本文從APF的濾波原理、混合型APF、控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行了分析,論述了其在HVDC系統(tǒng)中作為補(bǔ)償裝置的可行性。

        1 有源濾波器

        有源濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成:指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。

        其基本工作原理是,檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令,信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后,得出補(bǔ)償電流,此電流與需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流幅值相等方向相反,兩者相互抵消,最終得到期望電流[4]。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負(fù)載引起的。而直流濾波,是希望濾除負(fù)載中直流分量以外的所有紋(諧)波分量,這些紋(諧)波分量主要是由直流電源(一般是由交流電源整流獲得)中的紋波電壓分量在負(fù)載中引起的。而通過(guò)傅里葉分析可知,直流系統(tǒng)中的紋波分量也是由各次諧波分量構(gòu)成的。在這個(gè)意義上講,交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中抑制諧波的目的是相同的:抑制不希望在電源或負(fù)載中出現(xiàn)的諧波分量。

        有源濾波器有并聯(lián)和串聯(lián)兩種接入方式。其中并聯(lián)方式是應(yīng)用的最多的一種,其主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源。而串聯(lián)型主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源[5]。由于整流變換器直流側(cè)諧波等效為諧波電壓源,參照諧波源與有源濾波器補(bǔ)償效率的相關(guān)結(jié)論,理論上對(duì)于直流端電壓諧波,串聯(lián)型APF有較好的治理效果[6]。然而串聯(lián)型APF意味著器件將承受與高壓直流輸電系統(tǒng)相同的高電壓,大電流,這又使得絕緣困難,成本增加。直流APF的提出和研究時(shí)間沒(méi)有交流APF那么長(zhǎng),因此目前是將APF應(yīng)用在整流橋的直流側(cè)進(jìn)行濾波。

        為了改進(jìn)其電路特性,可以將APF與電容電感(無(wú)源濾波器)串聯(lián)后,并入系統(tǒng),形成一種混合型濾波器,這樣APF在高壓直流輸電中承受的電壓和電流都會(huì)降低,其容量將大大減小。如果能先用無(wú)源濾波器濾去主要的低次諧波(12次、24次),再用APF將濾去沒(méi)有濾凈的諧波,就能充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì),提高整體的濾波效果。

        APF的控制策略如圖1所示:

        從以上分析可知,d軸參考電流i1def包括有功電流參考值i*1d、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膁軸諧波電流的參考值i*1dh和直流電壓外環(huán)加入的d軸參考值。q軸參考電流i1qref包括無(wú)功電流參考值i*1q、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膓軸諧波電流的參考值i*1qh。采用直接電流控制,換流器交流電流完全追隨參考電流變化時(shí),就可以完成有功功率、無(wú)功功率和諧波三個(gè)量的協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)在傳遞功率的同時(shí)完成濾波的功能[7]。

        2 結(jié)束語(yǔ)

        有源濾波器與無(wú)源濾波器構(gòu)成混合濾波器,可以對(duì)高壓直流輸電直流側(cè)諧波電流進(jìn)行更嚴(yán)格的過(guò)濾,不但效果非常理想,還可以使有源濾波器承受更低的電壓、電流,降低對(duì)容量的要求。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]謝小榮,姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.

        [2]黃道春,魏遠(yuǎn)航,鐘連宏,皇甫成.我國(guó)發(fā)展特高壓直流輸電中一些問(wèn)題的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(8).

        [3]張翔.高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)交流側(cè)的諧波抑制[D].廣西大學(xué),2004.

        [4]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,王躍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

        [5]楊曉萍.高壓直流輸電與柔性交流輸電[M].中國(guó)電力出版社.

        [6]李輝,吳正國(guó).HVDC系統(tǒng)中低成本串聯(lián)混合型直流有源濾波器[J].高電壓技術(shù),2010,36(9).

        [7]孫栩,孔力.帶有源濾波功能的新型高壓直流輸電系統(tǒng)的研究[J].高壓電器,2008,44(1).

        [責(zé)任編輯:丁艷]

        【摘 要】高電壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電的任務(wù)上擔(dān)當(dāng)了重要角色。然而其兩側(cè)換流站由于存在很多大容量換流閥,使得注入系統(tǒng)的諧波非常嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性。而現(xiàn)在大多使用的濾波設(shè)備都是傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器,由于其調(diào)諧頻率的限制,仍會(huì)有其他次諧波注入系統(tǒng),而用有源濾波器(APF)則能有效改進(jìn)濾波效果。本文闡述了APF的工作原理及其適用限制,提出了使用混合型APF進(jìn)行濾波的方案。通過(guò)此方案可以在控制成本的同時(shí),提高濾波效果。

        【關(guān)鍵詞】有源濾波器;高壓直流輸電;換流;諧波

        0 引言

        我國(guó)用電負(fù)荷與發(fā)電能源的分布很不均衡,東部地區(qū)負(fù)荷多而能源少,西北、西南地區(qū)能源多而負(fù)荷少。在能源中心建立大火電、水電基地,大容量、遠(yuǎn)距離將電能輸送到負(fù)荷中心是解決該矛盾的較好途徑。這就需要建立全國(guó)能源傳輸通道,進(jìn)行“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的部署。高壓直流輸電可遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能,適合大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián),具有功率損耗小,線路造價(jià)低,功率調(diào)節(jié)迅速靈活,不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

        高壓直流輸電的換流站通常采用的是12脈動(dòng)換流裝置,脈動(dòng)次數(shù)越多,諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動(dòng)數(shù)來(lái)繼續(xù)減小諧波,其控制系統(tǒng)會(huì)非常復(fù)雜,投資也會(huì)大幅增加,而濾波效果卻增加的不明顯。12脈動(dòng)換流裝置在直流側(cè)產(chǎn)生的諧波電壓、諧波電流主要是12k次,在交流側(cè)產(chǎn)生12k±1次特征諧波。諧波電流在系統(tǒng)中引起諧波電壓,降低了系統(tǒng)的電壓質(zhì)量,并帶來(lái)其他危害[1]。由于靜電感應(yīng),電磁感應(yīng)及傳導(dǎo)耦合,線路上的諧波電流還會(huì)干擾通信線路上的傳輸信號(hào),其帶來(lái)的電磁污染產(chǎn)生的過(guò)高可聽(tīng)噪聲易使附近居民或工作人員感覺(jué)煩躁不安[2]。因此,研究如何消除直流輸電線路對(duì)鄰近通訊線路的干擾,有效抑制HVDC中的諧波,具有重要的實(shí)際意義。然而目前廣泛采用的無(wú)源濾波器(PF)卻有自身無(wú)法克服的弊病。會(huì)產(chǎn)生諧波放大,并且即使不出現(xiàn)諧振,PF的濾波效果也十分有限[3]。本文從APF的濾波原理、混合型APF、控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行了分析,論述了其在HVDC系統(tǒng)中作為補(bǔ)償裝置的可行性。

        1 有源濾波器

        有源濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成:指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。

        其基本工作原理是,檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令,信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后,得出補(bǔ)償電流,此電流與需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流幅值相等方向相反,兩者相互抵消,最終得到期望電流[4]。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負(fù)載引起的。而直流濾波,是希望濾除負(fù)載中直流分量以外的所有紋(諧)波分量,這些紋(諧)波分量主要是由直流電源(一般是由交流電源整流獲得)中的紋波電壓分量在負(fù)載中引起的。而通過(guò)傅里葉分析可知,直流系統(tǒng)中的紋波分量也是由各次諧波分量構(gòu)成的。在這個(gè)意義上講,交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中抑制諧波的目的是相同的:抑制不希望在電源或負(fù)載中出現(xiàn)的諧波分量。

        有源濾波器有并聯(lián)和串聯(lián)兩種接入方式。其中并聯(lián)方式是應(yīng)用的最多的一種,其主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源。而串聯(lián)型主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源[5]。由于整流變換器直流側(cè)諧波等效為諧波電壓源,參照諧波源與有源濾波器補(bǔ)償效率的相關(guān)結(jié)論,理論上對(duì)于直流端電壓諧波,串聯(lián)型APF有較好的治理效果[6]。然而串聯(lián)型APF意味著器件將承受與高壓直流輸電系統(tǒng)相同的高電壓,大電流,這又使得絕緣困難,成本增加。直流APF的提出和研究時(shí)間沒(méi)有交流APF那么長(zhǎng),因此目前是將APF應(yīng)用在整流橋的直流側(cè)進(jìn)行濾波。

        為了改進(jìn)其電路特性,可以將APF與電容電感(無(wú)源濾波器)串聯(lián)后,并入系統(tǒng),形成一種混合型濾波器,這樣APF在高壓直流輸電中承受的電壓和電流都會(huì)降低,其容量將大大減小。如果能先用無(wú)源濾波器濾去主要的低次諧波(12次、24次),再用APF將濾去沒(méi)有濾凈的諧波,就能充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì),提高整體的濾波效果。

        APF的控制策略如圖1所示:

        從以上分析可知,d軸參考電流i1def包括有功電流參考值i*1d、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膁軸諧波電流的參考值i*1dh和直流電壓外環(huán)加入的d軸參考值。q軸參考電流i1qref包括無(wú)功電流參考值i*1q、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膓軸諧波電流的參考值i*1qh。采用直接電流控制,換流器交流電流完全追隨參考電流變化時(shí),就可以完成有功功率、無(wú)功功率和諧波三個(gè)量的協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)在傳遞功率的同時(shí)完成濾波的功能[7]。

        2 結(jié)束語(yǔ)

        有源濾波器與無(wú)源濾波器構(gòu)成混合濾波器,可以對(duì)高壓直流輸電直流側(cè)諧波電流進(jìn)行更嚴(yán)格的過(guò)濾,不但效果非常理想,還可以使有源濾波器承受更低的電壓、電流,降低對(duì)容量的要求。

        【參考文獻(xiàn)】

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        [2]黃道春,魏遠(yuǎn)航,鐘連宏,皇甫成.我國(guó)發(fā)展特高壓直流輸電中一些問(wèn)題的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(8).

        [3]張翔.高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)交流側(cè)的諧波抑制[D].廣西大學(xué),2004.

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        [責(zé)任編輯:丁艷]

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