電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)_第1頁
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本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!第五章 電力系統(tǒng)有功功率平衡與頻率調(diào)整主要內(nèi)容提示本章主要討論電力系統(tǒng)中有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配和頻率調(diào)整?!?-1電力系統(tǒng)中有功功率的平衡一、電力系統(tǒng)負(fù)荷變化曲線P在電力系統(tǒng)運行中,負(fù)荷作功需要一定的有功功率,同時,傳輸這些功率也要在網(wǎng)絡(luò)中造成有功功率損耗。因此,電源發(fā)出的有功功率必須滿足下列平衡式:第一種負(fù)荷式中PGi—所有電源發(fā)出的有功功率;第二種負(fù)荷PLi—所有負(fù)荷需要的有功功率;第三種負(fù)荷P—網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗??梢?,發(fā)電機發(fā)出的功率比負(fù)荷功率大的多才t行。當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)荷增大時,網(wǎng)絡(luò)損耗也將增大,發(fā)圖5-1有功功率負(fù)荷的變動電機發(fā)出的功率也要增加。在實際電力系統(tǒng)中,負(fù)荷隨時在變化,所以必須靠調(diào)節(jié)電源側(cè),使發(fā)電機發(fā)出的功率隨負(fù)荷功率的變化而變化。負(fù)荷曲線的形狀往往是無一定規(guī)律可循,但可將這種無規(guī)則的曲線看成是幾種有規(guī)律的曲線的迭加。如圖 5-1所示,將一種負(fù)荷曲線分解成三種曲線負(fù)荷。第一種負(fù)荷曲線的變化,頻率很快,周期很短,變化幅度很小。這是由于想象不到的小負(fù)荷經(jīng)常性變化引起的。第二種負(fù)荷曲線的變化,頻率較慢,周期較長,幅度較大。這是由于一些沖擊性、間歇性負(fù)荷的變動引起的,如大工廠中大電機、電爐、電氣機車等一開一停。第三種負(fù)荷曲線的變化,非常緩慢,幅度很大。這是由于生產(chǎn)、生活、氣象等引起的。這種負(fù)荷是可以預(yù)計的。對于第一種負(fù)荷變化引起的頻率偏移進行調(diào)整,稱為頻率的“ 一次調(diào)整”。調(diào)節(jié)方法一般是調(diào)節(jié)發(fā)電機組的調(diào)速器系統(tǒng)。對于第二種負(fù)荷變化引起的頻率偏移進行調(diào)整,稱為頻率的“二次調(diào)整”,調(diào)節(jié)方法是調(diào)節(jié)發(fā)電機組的調(diào)頻器系統(tǒng)。對于第三種負(fù)荷的變化,通常是根據(jù)預(yù)計的負(fù)荷曲線,按照一定的優(yōu)化分配原則,在各發(fā)電廠間、發(fā)電機間實現(xiàn)功率的經(jīng)濟分配,稱為有功功率負(fù)荷的優(yōu)化分配。二、發(fā)電廠的備用容量電力系統(tǒng)中的有功功率電源是發(fā)電廠中的發(fā)電機,而系統(tǒng)中裝機容量總是大于發(fā)電容量,即要有一定的備用容量。系統(tǒng)的備用容量包括:負(fù)荷備用、事故備用、檢修備用和國民經(jīng)濟備用??倐溆萌萘空甲畲蟀l(fā)電負(fù)荷的( 15~20)%。然而系統(tǒng)中裝機容量的確定,不本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!僅考慮到最大發(fā)電負(fù)荷,而且還考慮到適當(dāng)?shù)膫溆萌萘俊<礊椋鹤畲蟀l(fā)電負(fù)荷PMPLmaxPmax負(fù)荷備用2~5%裝機容量事故備用5~10%備用容量檢修備用4~5%國民經(jīng)濟備用3~5%5-2電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配電力系統(tǒng)中有功功率合理分配的目標(biāo)是:在滿足一定負(fù)荷持續(xù)供電的前提下,使電能在生產(chǎn)的過程中消耗的能源最少。而系統(tǒng)中各類發(fā)電機組的經(jīng)濟特性并不相同,所以就存在著有功功率在各個電廠間的經(jīng)濟分配問題。⒈發(fā)電機的耗量特性發(fā)電機的耗量特性反映發(fā)電機單位時間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出有功功率的關(guān)系。如圖5-2所示,圖中縱坐標(biāo)表示單位時間內(nèi)消耗的燃料F(標(biāo)準(zhǔn)煤),單位為“t/h”,或表示單位時間內(nèi)消耗的水量W,單位為“m3/s”;橫坐標(biāo)表示發(fā)電功率G,單位為“kW”或“MW”。P耗量特性曲線上某一點縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的比值稱為比耗量。如i點的比耗量:Fi或WiFiiPGiPGi評價發(fā)電機組的經(jīng)濟特性,常常用到耗量特性曲Fii△Fi線上某一點縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的增量比,我們稱之為耗△PGi量微增率,以表示。表示單位時間內(nèi)輸入能量增量與輸出功率增量的比值。如i點的耗量微增率:⒉目標(biāo)函數(shù)和約束條件PG火力發(fā)電廠的能量消耗主要與發(fā)電機組輸出的有圖5-2PGi功功率PG有關(guān),而與輸出的無功功率QG及電壓UG耗量特性關(guān)系較小,因此對于n機系統(tǒng),單位時間內(nèi)消耗燃料的目標(biāo)函數(shù)為約束條件為nn等約束條件:PGiiPLi0(略網(wǎng)損)i11不等約束條件:PGimin≤PGi≤PGimax、QGimin≤QGi≤QGimax、UGimin≤UGi≤UGimax⒊拉格朗日函數(shù)建立一個新的不受約束的目標(biāo)函數(shù)—拉格朗日函數(shù):C CPG1PG2

PGn

fPG1PG2

PGnF1

PG1

F2

PG2

Fn

PGn

PG1

PG2

PGn

PL1

PL2

PLn本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!各變量對函數(shù)求偏導(dǎo),然后令偏導(dǎo)等于零,求其最小值。解得:dF1PG1dF2PG2FnPGndPG1dPG2dPGn即:12n此式為有功功率負(fù)荷最優(yōu)分配的等耗量微增率準(zhǔn)則,滿足這個條件的解PG1PG2PGn為最優(yōu)分配方案。【例5—1】某發(fā)電廠裝有兩臺發(fā)電設(shè)備,其耗量特性分別為:F1=3+0.3PG1+0.002PG12(t/h)F=5+0.3PG2+0.003P2(t/h)2G2兩臺發(fā)電設(shè)備的額定容量均為100MW,而最小可發(fā)有功功率均為30MW,若該廠承擔(dān)負(fù)荷150MW,試求負(fù)荷在兩臺發(fā)電設(shè)備間的最優(yōu)分配方案。解兩臺發(fā)電設(shè)備的耗量微增率分別為按等耗量微增率準(zhǔn)則12分配負(fù)荷,有:0.30.004PG10.30.006PG21而等約束條件為:PG1PG21502聯(lián)立式1、2,求解PG1、PG2:把PG2150PG1代入1式有:于是解得:PG190(MW)PG260(MW)此分配方案符合等耗量微增率準(zhǔn)則,即滿足等約束條件,也滿足不等約束條件﹙30<90<100、30<60<100﹚,因此,可做為最優(yōu)分配方案。⒋水、火電廠之間最優(yōu)分配準(zhǔn)則電力系統(tǒng)中有火電廠又有水電廠時,考慮到水電廠發(fā)電設(shè)備消耗的能源受到限制。例如,水電廠一晝夜間消耗的水量受約束于水庫調(diào)度。于是,約束條件(比討論火電廠間的最優(yōu)分配時)多一個。以W表示單位時間內(nèi)水電廠消耗的水量,它是所發(fā)出功率PH的函數(shù),K表示水電廠在0至?xí)r間段可消耗的水量。因此有約束條件:由此式可知,水電廠在時間段內(nèi)消耗的水量不得超過水庫的容水量。水、火電廠之間的最優(yōu)分配準(zhǔn)則為:dFPTdWPH即THdPTdPH本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!其中

dFPT

T為火電廠的耗量微增率,

dWPH

H 為水電廠的耗量微增率。

為拉dPT

dPH格朗日乘數(shù),可看作是一個煤水換算系數(shù)。相當(dāng)于把

1立方米

/小時的水量通過

折算為

1噸/小時的煤量。如果系統(tǒng)中有

n個電廠,其中

m個火電廠,

n

m

個水電廠,則有功功率負(fù)荷最優(yōu)分配準(zhǔn)則可表示為:即

T1

T2

Tm

m 1

Hm

1

m 2

Hm 2

n Hn以上是不計網(wǎng)損時的負(fù)荷最優(yōu)分配。如果網(wǎng)絡(luò)線路較長,負(fù)荷很重,則網(wǎng)損較大,忽略網(wǎng)損就會產(chǎn)生分配上的誤差??紤]網(wǎng)損后等約束條件為:等耗量微增率準(zhǔn)則:應(yīng)用前面類似的方法求其滿足等耗量微增率準(zhǔn)則的函數(shù)最小值,即得最優(yōu)分配方案。5-3電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整一、頻率的一次調(diào)整通過調(diào)節(jié)發(fā)電機組的調(diào)速器系統(tǒng)可進行頻率的一次調(diào)整。負(fù)荷與電源的有功功率靜態(tài)頻率特性如圖5-3所示,設(shè)在O點運行時負(fù)荷突然增加PL0,發(fā)電機組將因調(diào)速器的一次調(diào)整作用增發(fā)功率PG,負(fù)荷將因它本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)面減小功率PL,系統(tǒng)的頻率偏差為。此時有發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率:PKGPG/ftgˊ負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率:APLPGˊ△PLKLPL/ftgˊOP0B△PL0系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率等于發(fā)電機的單位△PGPL調(diào)節(jié)功率與負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率之和BP0ˊOPL0所以fAˊ△fα←→βKS0ff0ˊf0可見一次調(diào)頻只能做到有差調(diào)節(jié),在運圖5-3頻率的一次調(diào)整行中為減小f,希望KS大些,但負(fù)荷特性一定時KL為常值,只有KG大些,系統(tǒng)中多數(shù)發(fā)電機均能進行一次調(diào)頻,如果有n臺機都本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!能一次調(diào)頻, KnG KG1 KG2 KGn,若某些機組已達到滿發(fā),則不能參加調(diào)頻,只有m臺能調(diào),所以 KmG<KnG,因此總的發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率也不能提的很高。發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率與調(diào)差系數(shù) %有互為倒數(shù)關(guān)系:所以常常用調(diào)差系數(shù) %來描述一次調(diào)頻時發(fā)電機組的頻率特性。調(diào)差系數(shù) %與之對應(yīng)的發(fā)電機組的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定的。一般整定為如下數(shù)值:汽輪發(fā)電機組: %=3~5 KG 33.3~20水輪發(fā)電機組: %=2~4 KG 50~25當(dāng)一次調(diào)頻不能使之 f在允許的頻率波動范圍( f≤ 0.2~0.5Hz)之內(nèi)時,則要靠二次調(diào)頻,將 f將縮小在允許值之間。二、頻率的二次調(diào)整通過調(diào)節(jié)發(fā)電機組的調(diào)頻器系統(tǒng)可進行頻率的二次調(diào)整,增加發(fā)電機組發(fā)出的功率PG0,如圖5-4所示,由圖可見:PL0OA=OC+CB+BAOCPG0表示由于二次調(diào)整作用使發(fā)電機組增發(fā)的功率;CB=CBKGf表示由于PˊPL調(diào)速器的調(diào)整作用而增大的發(fā)電機AO〞功率;P0ˊBP0OC△PL0ˊBA=BAKLf表示因負(fù)C〞△PG0荷本身的調(diào)節(jié)效應(yīng)而減小的負(fù)荷功P0BˊB〞A〞O率。A△f〞PGˊ這里分析頻率偏差為不失一般△fˊ性,將f仍以f表示,因此f0ˊf0〞f0圖5-4頻率的二次調(diào)整從而有fKGKLPL0PG0頻率偏移控制在fPL0PG0PL0PG0≤0.2HzKGKLKS

PLPGf本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!頻率的二次調(diào)整不是所有發(fā)電機組都要進行的,只能是很少的發(fā)電廠做為專門的調(diào)頻廠,即二次調(diào)頻是在調(diào)頻廠進行的。調(diào)頻廠的選擇原則:①具有足夠的調(diào)整容量;②具有較快的調(diào)整速度;③調(diào)整范圍內(nèi)的經(jīng)濟性能好。三、互聯(lián)系統(tǒng)的頻率調(diào)整如果調(diào)頻廠不位于負(fù)荷的中心,則應(yīng)避免調(diào)頻廠與系統(tǒng)其它部分聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)線上的流通功率超出允許值,然而必須在調(diào)整系統(tǒng)頻率的同時控制聯(lián)絡(luò)線上的流通功率。如圖 5-5所示A、B兩系統(tǒng)相互聯(lián)絡(luò),圖中 KA、KB分別為聯(lián)合前 A、B兩系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。設(shè)A、B兩系統(tǒng)均有進行二次調(diào)整的電廠,它們的功率變化量分別為PGA、PGB;A、B兩系統(tǒng)的負(fù)荷變化量PLA、PLB。于是,在聯(lián)合前:對A系統(tǒng)有PLAPGAKAfA(5-1)KA△PabKB△PGA△PGBBA△PLA△PLB對B系統(tǒng)有PLBPGBKBfB(5-2)圖5-5兩個系統(tǒng)聯(lián)合在聯(lián)合后,全系統(tǒng)的頻率變化量將一致,即有fAfBf。通過聯(lián)絡(luò)線由A向B輸送的交換功率為Pab,對A系統(tǒng),可把這個交換功率看作是一個負(fù)荷功率,對B系統(tǒng),可把這個交換功率看作是一個電源功率,從而有PLAPabPGAKAf(5-3)PLBPabPGBKBf(5-4)將以上兩式相加,整理得PLAPGAPLBPGB(5-5)fKAKB令PLAPGAPA,PLBPGBPB,PA、PB分別為A、B兩系統(tǒng)的功率缺額,于是PAPB(5-6)fKBKA以此代入式( 5-3)或式(5-4),可得:KAPBKBPA(5-7)PabKBKA本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!由上可知,互聯(lián)系統(tǒng)頻率的變化取決于這個系統(tǒng)總的功率缺額和總的系統(tǒng)單位調(diào)節(jié)功率。聯(lián)絡(luò)線上的交換功率取決于兩個系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率、二次調(diào)整的能力及負(fù)荷變化的情況。當(dāng)交換功率超過線路允許的范圍時,即使互聯(lián)系統(tǒng)具有足夠的二次調(diào)整能力,由于受聯(lián)絡(luò)線交換功率的限制,系統(tǒng)頻率也不能保持不變。本章基本要求⒈掌握電力系統(tǒng)負(fù)荷三種變動曲線的一般規(guī)律及其同一、二、三次調(diào)頻的對應(yīng)關(guān)系。⒉掌握電力系統(tǒng)有功功率電源各種備用容量的概念。⒊了解各類發(fā)電廠的運行特點和合理組合在電力系統(tǒng)有功功率最優(yōu)分配中的意義,能正確安排電力系統(tǒng)中各類發(fā)電廠的合理組合順序。⒋理解發(fā)電機組的耗量特性、比耗量和耗量微增率等概念。⒌理解并掌握電力系統(tǒng)最優(yōu)分配有功功率負(fù)荷的等耗量微增率準(zhǔn)則,能夠熟練計算在不計網(wǎng)損條件下有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配方案。掌握發(fā)電廠之間的有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配原則和計算方法。⒍了解頻率調(diào)整對電力系統(tǒng)的意義和發(fā)電機自動調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。⒎掌握發(fā)電機組(有功電源)的靜態(tài)頻率特性,能定性分析頻率的“一次調(diào)整”和“二次調(diào)整”。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷功率增大時,調(diào)速器、調(diào)頻器隨之動作時,從靜態(tài)頻率特性曲線上分析其工作點的轉(zhuǎn)移趨勢。⒏掌握發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)率和調(diào)差系數(shù),負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率等基本概念,能熟練進行互聯(lián)系統(tǒng)的調(diào)頻計算。負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率標(biāo)么值一律是以負(fù)荷的實際容量為基準(zhǔn)給定的,而發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率一般是以其額定容量為基準(zhǔn)給定的,在調(diào)頻計算中應(yīng)特別注意。⒐掌握調(diào)頻電廠的選擇原則。習(xí)題五5-1兩臺火力發(fā)電機組并列運行,額定容量均為100MW,耗量特性分別為:2(t/h)F1=1+0.2PG1+0.001PG1F2=2+0.1PG2+0.002PG22(t/h)當(dāng)負(fù)荷為160MW時,試求:⑴平均分配負(fù)荷時每小時耗煤多少噸?⑵最優(yōu)分配負(fù)荷時每小時耗煤多少噸?5-2某火電廠裝設(shè)兩套發(fā)電設(shè)備,其耗量特性分別為:F=2+0.2P+0.001P(t/h)1G1G122(t/h)F2=4+0.2PG2+0.002PG2兩臺發(fā)電機的額定容量均為200MW,而最小有功功率為PG1min=PG2min=50MW。若該電廠承擔(dān)負(fù)荷為300MW,試求負(fù)荷的最優(yōu)分配方案。5-3已知系統(tǒng)中有兩臺發(fā)電機組,它們的燃料消耗特性為:F1=a1+b1PG1+c1PG12(t/h)222G22G22(t/h)F=a+bP+cP本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!其中b1=2元/(MWh),b2=2.5元/(MWh),c1=0.01元/(MW2h),c2=0.005元/(MW2h)。兩臺機組的最小負(fù)荷都是20MW,最大負(fù)荷都是125MW。如果系統(tǒng)有功負(fù)荷PL為150MW,求兩臺機組所分配的負(fù)荷PG1、PG2。5-4設(shè)有三個火電廠并列運行,各電廠的耗量特性及有功功率的約束條件如下:F=4+0.3P+0.0007PG12(t/h)100MW≤P≤200MW1G1G1F2=3+0.32PG2+0.0004PG22(t/h)120MW≤PG2≤250MWF3=3.5+0.3PG3+0.00045PG32(t/h)150MW≤PG3≤300MW當(dāng)總負(fù)荷為 700MW,試確定發(fā)電廠間的最優(yōu)分配方案。5-5寫出如圖 5-5所述系統(tǒng)在不計網(wǎng)損,不考慮不等約束的條件時,有功功率最優(yōu)分配的目標(biāo)函數(shù)、拉格朗日函數(shù),并推導(dǎo)出有功功率最優(yōu)分配時的準(zhǔn)則。(A、B均為火電廠,PL為負(fù)荷點的負(fù)荷)#2~~5-6~100MW,耗量特性分別為:#如圖5-6所示,有兩臺容量均為PG2AG12PL(t/h)BF1=1+0.2PG1+0.P002P習(xí)題5-5圖2(t/h)PL2G2G2兩臺發(fā)電機,同時供一個負(fù)荷PL,試求:習(xí)題5-6圖⑴當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷為65MW,按1號機發(fā)20MW,2號機發(fā)45MW分配負(fù)荷時,是不是最優(yōu)分配方案?⑵當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷為160MW時,此二發(fā)電機間的最優(yōu)分配方案是多少?5-7三臺發(fā)電機組共同承擔(dān)負(fù)荷,它們的耗量微增率分別為:dF10.15PG1元100<PG1<200MWdFG110/(MWh)dF20.10PG210元/(MWh)100<PG2300MWdFG2dF30.05PG310元/(MWh)200<PG3<500MWdFG3試求:⑴負(fù)荷為 750MW時,每臺發(fā)電機組所承擔(dān)的負(fù)荷;⑵負(fù)荷在 400MW 至 1000MW 范圍內(nèi)的耗量微增率與負(fù)荷功率的關(guān)系曲線f(PL)。5-8兩個發(fā)電機組一個系統(tǒng),G1:18.00.012PG1元/(MWh)G2:27.00.018PG2元/(MWh)G1:100MW≤P≤650MWG2:50MW≤P≤500MWG1G2試求:(1)當(dāng)PG1+PG2=PL=600MW時,最佳操作系統(tǒng)的λ、PG1與PG2;本文檔如對你有幫助,請幫忙下載支持!(2)假如PL增加1MW(成為601MW)時,額外成本(元/h)。5-9某火電廠有兩臺發(fā)電機組,它們的耗量特性如下:F=5+0.1P+0.006P2(t/h)1G1G1F2=6+0.2PG2+0.01PG22(t/h)每臺機組最大、最小出力為:100MW≥PG2≥50MW,200MW≥PG1≥10MW,當(dāng)調(diào)度分配給該廠的發(fā)電任務(wù)為250MW時,試求機組間有功功率負(fù)荷分配的合理方案。若發(fā)電任務(wù)增至252MW時,全廠耗量增加多少?5-10 假設(shè)三個發(fā)電機組的燃料—成本曲線如下:f1(PG1)=300+8.0PG1+0.0015PG12f2(PG2)=450+8.0PG2+0.0005PG22f3(PG3)=700+7.5PG3+0.0010PG33忽略線路損失與發(fā)電機極限,當(dāng)總負(fù)荷 PL為500MW時,試求最佳調(diào)度與總成本(元/h)。5-11已知系統(tǒng)中有兩臺發(fā)電機組(一水、一火),它們的耗量特性為:Fa1b1PG1c1PG21(t/h)Wa2b2PG2c2PG22(m3/h)其中a1a2b1b2c1c2均為常數(shù),如果水電廠的耗水量微增率與火電廠燃料微增率的折換系數(shù)已求出,且能滿足給定的日用水量要求,設(shè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷為PL,試求兩臺機組的最優(yōu)分配負(fù)荷PG1、PG2。P(MW)5-12已知電力系統(tǒng)只有一個火電廠、1000P=f(t)一個水電廠?;?、水電廠的耗量特性分別為:2(t/h)600F=3+0.3PG+0.0015PGGHGH23W=5+P+0.002P(m/s)t(h)水電廠日用水量恒定為K=1.5×107m3,系081824統(tǒng)的日負(fù)荷曲線如圖5-12所示?;痣姀S容量習(xí)題5-12圖為900MW,水電廠容量為400MW。求在給定的用水量下,水、火電廠間的有功功率經(jīng)濟分配方案。5-13兩臺容量為60MW的發(fā)電機共同承擔(dān)負(fù)荷,它們的調(diào)差系數(shù)分別為4%、3%,若空載時并聯(lián)運行,其頻率f0為50Hz,試求:⑴總負(fù)荷為100MW時,這兩臺發(fā)電機組發(fā)出的功率;⑵為使總負(fù)荷為 100MW時,兩臺機組能平均分擔(dān)負(fù)荷, 它們的轉(zhuǎn)速應(yīng)分別增減多少?5-14 三個電力系統(tǒng)聯(lián)合運行如圖 5-14所示。已知它們的單位調(diào)節(jié)功率為:KA=200MW/Hz,KB=80MW/Hz,KC=100MW/Hz,當(dāng)系統(tǒng) B增加200MW負(fù)荷時,三

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