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光儲充電站儲能系統在分布式能源中的運用

更新時(shí)間:2024-05-07      點(diǎn)擊次數:205

0引言

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展,人們對充電基礎設施規劃與建設提出了更高要求。與此同時(shí),碳達峰、碳中"戰略背景下,為應對化石能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題,提升可再生能源發(fā)展和利用水平、實(shí)現能源可持續發(fā)展成為世界各國的目標。光儲充電站作為兼具新能源消納、負荷波動(dòng)平抑和延緩輸電線(xiàn)路擴容功能的新型充電服務(wù)設施,近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注與研究。儲能系統具備雙向變功率的電能傳輸特性,是光儲充電站*靈活的能量控制單元,因此儲能系統優(yōu)化運行策略研究對提升光儲充電站綜合效益具有重要意義。

根據給定控制目標,結合功率平衡關(guān)系得到被控對象的功率控制信號,使其在運行時(shí)對該信號進(jìn)行跟蹤,可有效解決上述問(wèn)題。采用低通濾波、移動(dòng)平均濾波和高斯濾波等方法得到目標并網(wǎng)功率值,對光儲系統進(jìn)行并網(wǎng)功率平滑控制,提高了光伏發(fā)電系統的電能輸出質(zhì)量;提出一種電池儲能參與電網(wǎng)削峰填谷的變功率控制策略,通過(guò)設定峰谷閾值進(jìn)行并網(wǎng)負荷整形;結合分時(shí)電價(jià)確定儲能系統充放電時(shí)刻,通過(guò)對儲能進(jìn)低儲高"賺取峰谷電價(jià)差,提升了儲能電站運行的經(jīng)濟效益。綜上,根據不同控制目標,儲能系統主要運行模式可分為并網(wǎng)功率平滑、并網(wǎng)負荷整形和分時(shí)電價(jià)套利等。實(shí)際應用中,光儲充電站儲能系統的優(yōu)化運行往往不能簡(jiǎn)單從電網(wǎng)側功率調節或負荷側經(jīng)濟運行等單一方面考慮。

針對上述問(wèn)題,本文提出一種考慮多模式融合的光儲充電站儲能系統優(yōu)化運行策略。通過(guò)對光儲充電站儲能系統功率平滑、負荷整形和分時(shí)電價(jià)3種運行模式進(jìn)行融合設計,建立光儲充電站儲能系統優(yōu)化控制模型,得到兼具多種技術(shù)優(yōu)勢的儲能系統優(yōu)化運行策略,并結合上海某光儲充電站運行數據進(jìn)行仿真與實(shí)驗分析,驗證所提運行策略的有效性。

1光儲充電站結構及運行模式

設計的光儲充電站結構如1所示,相比于傳統電動(dòng)汽車(chē)充電站結構,光儲充電站中配置有光伏電池組和儲能電池組。其中,光伏電池組經(jīng)DC/AC變換器連接至交流母線(xiàn),作為光儲充電站的重要電力來(lái)源;儲能電池組通過(guò)DC/AC變換器與交流母線(xiàn)相連,用于平抑交流母線(xiàn)不平衡功率;能量管理系統通過(guò)監測各能量單元的功率信息對各時(shí)刻光伏電池組、儲能電池組和電網(wǎng)的功率進(jìn)行調控,以滿(mǎn)足充電負荷需求。

img1 

*大化新能源消納,光伏逆變器采*大功率點(diǎn)跟蹤控制模[19],任意時(shí)t的光伏出力可視為不可控量,與電動(dòng)汽車(chē)充電負荷疊加為光儲充電站的等效負荷,即

img2式中:為等效負荷;為電動(dòng)汽車(chē)充電負荷;為光伏出力;為交流充電負荷;為直流充電負荷。

由式3)可知,通過(guò)改變各時(shí)刻儲能系統充放電功率,可優(yōu)化電網(wǎng)與光儲充電站間的功率傳輸。從電網(wǎng)運行和光儲充電站運營(yíng)的角度出發(fā),光儲充電站主要存在以下幾種運行模式。

1)功率平滑模式。

功率平滑模式主要從電網(wǎng)運行角度優(yōu)化光儲充電站并網(wǎng)負荷變化率,其具體方式是利用儲能系統雙向變功率輸出特性,通過(guò)調節各時(shí)刻儲能系統充放電狀態(tài)及其功率大小,緩沖光伏發(fā)電與電動(dòng)汽車(chē)充電負荷的功率驟變,使光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線(xiàn)趨于平滑,減小充電負荷對配電網(wǎng)的沖擊。

2)負荷整形模式。

負荷整形模式主要從電網(wǎng)運行角度優(yōu)化光儲充電站并網(wǎng)負荷變化范圍,其具體方式是使儲能系統在等效負荷低于設定功率下充電,高于設定功率上放電,保證光儲充電站并網(wǎng)負荷穩定在合理的上下限之間,延緩輸電線(xiàn)路擴容。

3)分時(shí)電價(jià)模式。

分時(shí)電價(jià)模式主要從光儲充電站運營(yíng)角度對儲能系統充放電時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化調整,其具體方式是利用儲能系統在谷電價(jià)時(shí)段充電、峰電價(jià)時(shí)段放電,以獲取峰谷差價(jià)利潤,提高光儲充電站運行經(jīng)濟性。

3種運行模式均能從不同角度實(shí)現光儲充電站運行優(yōu)化。如功率平滑模式和負荷整形模式分別從并網(wǎng)負荷變化率和變化范2個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化,改善了光儲充電站并網(wǎng)負荷功率質(zhì)量;分時(shí)電價(jià)模式則利用峰谷電價(jià)差降低了光儲充電站購電成本,提高運行經(jīng)濟性。然而,光儲充電站實(shí)際運行過(guò)程中需要兼顧電網(wǎng)側運行的技術(shù)性指標和充電站經(jīng)濟性指[6],因此須對以3種運行模式進(jìn)行融合設計。

2多模式融合的光儲充電站儲能系統優(yōu)化運行策略

2.1多模式融合設計

功率平滑模式和負荷整形模式的主要控制目標均為光儲充電站并網(wǎng)負荷功率,是不同技術(shù)指標2種并網(wǎng)負荷功率調節手段,具有較好的兼容性,可在完成功率平滑控制目標的基礎上,同時(shí)實(shí)現負荷整形控制要求。分時(shí)電價(jià)模式的儲能系統充放電功率則主要取決于峰谷電價(jià)時(shí)段,與實(shí)際并網(wǎng)負荷功率的變化情況可能存在一定偏差,即峰電價(jià)時(shí)段不一定為實(shí)際負荷峰值時(shí)段,谷電價(jià)時(shí)段不一定為實(shí)際負荷谷值時(shí)段。因此,若簡(jiǎn)單3種運行模式疊加,可能導致并網(wǎng)負荷功峰上加"的情況,不利于光儲充電站安全穩定運行。此外,考慮工作周期內儲能系統參與并網(wǎng)負荷功率調節的充電量和放電量通常不相等,若不采取措施對儲能系統進(jìn)行能量平衡,將難以保證儲能系統長(cháng)時(shí)間持續運行。

為解決上述問(wèn)題,提出一種多模式融合的儲能系統優(yōu)化運行策略,主要思路如下。

1)根據各時(shí)刻光伏出力和充電負荷數據,得到各時(shí)刻光儲充電站原始并網(wǎng)負荷功率,即各時(shí)刻等效負荷功率,構成等效負荷功率序列。

2)對等效負荷功率序列進(jìn)行功率平滑處理,得到功率平滑處理后的并網(wǎng)負荷功率序列,在此基礎上對所得序列進(jìn)行負荷整形處理,進(jìn)一步得到負荷整形處理后的并網(wǎng)負荷功率序列。

3)計算負荷整形處理后的并網(wǎng)負荷功率序列與等效負荷功率序列之間的能量差,基低儲高"的分時(shí)電價(jià)模式,對上述能量差進(jìn)行平衡。因此,光儲充電站多模式融合運行目標主要2個(gè)部分構成。從并網(wǎng)功率優(yōu)化角度,對功率平滑模式和負荷整形模式進(jìn)行融合,實(shí)現光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線(xiàn)的優(yōu)化調節;結合光儲充電站經(jīng)濟運行要求,利用分時(shí)電價(jià)模式進(jìn)一步解決融合運行帶來(lái)的儲能系統能量不平衡問(wèn)題。

3仿真分析

3.1數據來(lái)源

選取3所示上海某光儲充電24h運行曲線(xiàn)進(jìn)行仿真分析。該光儲充電站具體配置參數如

2所示,其功率采樣時(shí)間間Δt=1min。

img3 

3.2仿真結果與分析

3.2.1仿真結果

設定滑動(dòng)系數N=15,并網(wǎng)負荷上、下限分別為變壓器額定功率75%1%,可得到光儲充電站儲能系統待平衡能量?7.65kW·h,即能量平衡前儲能系24h放電量比充電量7.65kW·h,因此須增大儲能系統充電量。根據上海*新分時(shí)電價(jià)政策,08:0011:00、18:0021:00為峰時(shí)段;06:0008:00、11:0018:00、21:0022:00為平時(shí)段;22:00至次06:00為谷時(shí)段。結合3可知,光儲充電站00:0006:00負荷較低,且處于谷電價(jià)時(shí)段,宜在此階段增大儲能系統充電功率,進(jìn)行儲能系統能量平衡。因此,設00:0006:00為能量平衡時(shí)段,即T1=00:00,T2=06:00?;谝陨显O定,可得到所提策略下儲能系統充放電功率曲線(xiàn)SOC變化曲線(xiàn),如4所示。

img4 

基于上述儲能系統優(yōu)化運行方案,可得到儲能工作前后光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線(xiàn)對比,如5所示。其中,儲能工作前曲線(xiàn)為光儲充電站原始并網(wǎng)負荷曲線(xiàn)(即光儲充電站等效負荷曲線(xiàn)),儲能工作后曲線(xiàn)為所提策略下光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線(xiàn)。由5可知,所提策略可有效實(shí)現并網(wǎng)點(diǎn)功率平滑和負荷整形,降低光儲充電站并網(wǎng)點(diǎn)功率變化率和變化范圍,減小光充電站負荷波動(dòng)對電網(wǎng)造成的沖擊。

img5 

4 Acrel-2000MG充電站微電網(wǎng)能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統,是我司根據新型電力系統下微電網(wǎng)監控系統與微電網(wǎng)能量管理系統的要求,總結國內外的研究和生產(chǎn)的先進(jìn)經(jīng)驗,專(zhuān)門(mén)研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統。本系統滿(mǎn)足光伏系統、風(fēng)力發(fā)電、儲能系統以及充電站的接入,*進(jìn)行數據采集分析,直接監視光伏、風(fēng)能、儲能系統、充電站運行狀態(tài)及健康狀況,是一個(gè)集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經(jīng)濟優(yōu)化運行為目標,促進(jìn)可再生能源應用,提高電網(wǎng)運行穩定性、補償負荷波動(dòng);有效實(shí)現用戶(hù)側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷,提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟運行提供了全新的解決方案。

微電網(wǎng)能量管理系統應采用分層分布式結構,整個(gè)能量管理系統在物理上分為三個(gè)層:設備層、網(wǎng)絡(luò )通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡(luò )采用標準以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議,物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線(xiàn)、屏蔽雙絞線(xiàn)等。系統支ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場(chǎng)合

系統可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區、工商業(yè)區、居民區、智能建筑、海島、無(wú)電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

5充電站微電網(wǎng)能量管理系統解決方案

5.1實(shí)時(shí)監測

微電網(wǎng)能量管理系統人機界面友好,應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀(guān)顯示各電氣回路的運行狀態(tài),實(shí)時(shí)監測光伏、風(fēng)電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息,動(dòng)態(tài)監視各回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中,各子系統回路電參量主要有:相電壓、線(xiàn)電壓、三相電流、有/無(wú)功功率、視在功率、功率因數、頻率、有/無(wú)功電度、頻率和正向有功電能累計值;狀態(tài)參數主要有:開(kāi)關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進(jìn)行發(fā)電管理,使管理人員實(shí)時(shí)掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進(jìn)行狀態(tài)管理,能夠根據儲能系統的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)告警,并支持定期的電池維護。

微電網(wǎng)能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面,包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲能、充電站及總體負荷組成情況,包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求,也可將充電,儲能及光伏系統信息進(jìn)行顯示。

img7 

1系統主界面

子界面主要包括系統主接線(xiàn)圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

img8 

img9 

2光伏系統界面

本界面用來(lái)展示對光伏系統信息,主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、并網(wǎng)柜電力監測及發(fā)電量統計、電站發(fā)電量年有效利用小時(shí)數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、輻照/風(fēng)/環(huán)境溫濕度監測、發(fā)電功率模擬及效率分析;同時(shí)對系統的總功率、電壓電流及各個(gè)逆變器的運行數據進(jìn)行展示。

5.1.2儲能界面

img10 

3儲能系統界面

本界面主要用來(lái)展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線(xiàn)以及電量變化曲線(xiàn)。

img11 

4儲能系PCS參數設置界面

本界面主要用來(lái)展示PCS的參數進(jìn)行設置,包括開(kāi)關(guān)機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

img12 

5儲能系BMS參數設置界面

本界面用來(lái)展示BMS的參數進(jìn)行設置,主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

img13 

6儲能系PCS電網(wǎng)側數據界面

本界面用來(lái)展示PCS電網(wǎng)側數據,主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

img14 

7儲能系PCS交流側數據界面

本界面用來(lái)展示PCS交流側數據,主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時(shí)針對交流側的異常信息進(jìn)行告警。

img15 

8儲能系PCS直流側數據界面

本界面用來(lái)展示PCS直流側數據,主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時(shí)針對直流側的異常信息進(jìn)行告警。

img16 

9儲能系PCS狀態(tài)界面

本界面用來(lái)展示PCS狀態(tài)信息,主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)STS故障告警等。

img17 

10儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來(lái)展示BMS狀態(tài)信息,主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統信息、數據信息以及告警信息等,同時(shí)展示當前儲能電池SOC信息。

img18 

11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來(lái)展示對電池簇信息,主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度,并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風(fēng)電界面

img19 

img20 

12風(fēng)電系統界面

本界面用來(lái)展示對風(fēng)電系統信息,主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時(shí)數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、風(fēng)/風(fēng)/環(huán)境溫濕度監測、發(fā)電功率模擬及效率分析;同時(shí)對系統的總功率、電壓電流及各個(gè)逆變器的運行數據進(jìn)行展示。

5.1.4充電站界面

img21 

img22 

13充電站界面

本界面用來(lái)展示對充電站系統信息,主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用,變化曲線(xiàn)、各個(gè)充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界面

img23 

14微電網(wǎng)視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫(huà)面,且通過(guò)不同的配置,實(shí)現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發(fā)電預測

系統應可以通過(guò)歷史發(fā)電數據、實(shí)測數據、未來(lái)天氣預測數據,對分布式發(fā)電進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預測,并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進(jìn)行人工輸入或者自動(dòng)生成發(fā)電計劃,便于用戶(hù)對該系統新能源發(fā)電的集中管控。

img24 

15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發(fā)電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時(shí)電價(jià)信息,進(jìn)行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動(dòng)態(tài)擴容等。

具體策略根據項目實(shí)際情況(如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等)進(jìn)行接口適配和策略調整,同時(shí)支持定制化需求。

img25img26 

16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢(xún)各子系統、回路或設*時(shí)間的運行參數,報表中顯示電參量信息應包括:各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無(wú)功功率、正向有功電能、尖峰平谷時(shí)段電量等。

img27 

17運行報表

5.1.9實(shí)時(shí)報警

應具有實(shí)時(shí)報警功能,系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動(dòng)和關(guān)閉等遙信變位,及設備內部的保護動(dòng)作或事故跳閘時(shí)應能發(fā)出告警,應能實(shí)時(shí)顯示告警事件或跳閘事件,包括保護事件名稱(chēng)、保護動(dòng)作時(shí)刻;并應能以彈窗、聲音、短信和電話(huà)等形式通知相關(guān)人員。

img28 

18實(shí)時(shí)告警

5.1.10歷史事件查詢(xún)

應能夠對遙信變位,保護動(dòng)作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度(鋰離子電池)、壓力(液流電池)、光照、風(fēng)速、氣壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理,方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯,查詢(xún)統計、事故分析。

img29 

19歷史事件查詢(xún)

5.1.11電能質(zhì)量監測

應可以對整個(gè)微電網(wǎng)系統的電能質(zhì)量包括穩態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進(jìn)行持續監測,使管理人員實(shí)時(shí)掌握供電系統電能質(zhì)量情況,以便及時(shí)發(fā)現和消除供電不穩定因素。

1)在供電系統主界面上應能實(shí)時(shí)顯示各電能質(zhì)量監測點(diǎn)的監測裝置通信狀態(tài)、各監測點(diǎn)A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡*和正//零序電壓值、三相電流不平衡*和正//零序電流值;

2)諧波分析功能:系統應能實(shí)時(shí)顯A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率;應能以柱狀圖展2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.563.5次間諧波電壓含有率、0.563.5次間諧波電流含有率;

3)電壓波動(dòng)與閃變:系統應能顯A/B/C三相電壓波動(dòng)值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長(cháng)閃變值;應能提A/B/C三相電壓波動(dòng)曲線(xiàn)、短閃變曲線(xiàn)和長(cháng)閃變曲線(xiàn);應能顯示電壓偏差與頻率偏差;

4)功率與電能計量:系統應能顯A/B/C三相有功功率、無(wú)功功率和視在功率;應能顯示三相總有功功率、總無(wú)功功率、總視在功率和總功率因素;應能提供有功負荷曲線(xiàn),包括日有功負荷曲線(xiàn)(折線(xiàn)型)和年有功負荷曲線(xiàn)(折線(xiàn)型);

5)電壓暫態(tài)監測:在電能質(zhì)量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時(shí)中斷發(fā)生時(shí),系統應能產(chǎn)生告警,事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話(huà)等形式通知相關(guān)人員;系統應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6)電能質(zhì)量數據統計:系統應能顯1min統計2h存儲的統計數據,包括均值、*、*、95%概率值、方均根值。

7)事件記錄查看功能:事件記錄應包含事件名稱(chēng)、狀態(tài)(動(dòng)作或返回)、波形號、越限值、故障持續時(shí)間、事件發(fā)生的時(shí)間。

6結束語(yǔ)

本文針對光儲充電站儲能系統優(yōu)化運行問(wèn)題進(jìn)行了研究,對功率平滑、負荷整形和分時(shí)電價(jià)3種運行模式進(jìn)行了融合設計,得出以下結論。

1)所提策略可使光儲充電站負荷波動(dòng)率降低為原來(lái)22.4%,同時(shí)將光儲充電站負荷變化范圍限制于變壓器額定功率1%~75%,能夠從負荷波動(dòng)率和波動(dòng)范2個(gè)方面改善光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線(xiàn),降低光儲充電站負荷波動(dòng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的不利影響,延長(cháng)變壓器運行壽命。

2)所提策略下光儲充電站儲能系24h充放電量相等,能夠克服因并網(wǎng)功率調節導致的儲能系統充放電量失衡問(wèn)題,提升儲能系統運行可靠性。

3)所提策略利用谷電價(jià)時(shí)段對儲能系統進(jìn)能量平衡,總購電成本相比原始狀態(tài)降低0.69%,同時(shí)還可兼顧實(shí)現并網(wǎng)功率平滑、并網(wǎng)負荷整形、儲能系統能量平衡等技術(shù)效果,能夠提升光儲充電站的綜合運行性能。

4)實(shí)驗表明,所提策略下儲能系統實(shí)際交流側功率能夠較好地跟蹤其功率給定值,具備可行性。本研究將儲能系統視為整體,與光儲充電站中其他能量單元進(jìn)行功率的優(yōu)化分配。事實(shí)上,隨著(zhù)電池儲能系統壽命周期的不斷增長(cháng),其內部各儲能單元將呈現出一定的個(gè)體差異性,因此基于論文所提策略框架下的儲能系統內部功率分配問(wèn)題將是下一步研究重點(diǎn)。

【參考文獻】

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