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    光儲充電站儲能系統(tǒng)在分布式能源中的運用

    更新時間:2024-05-07      點擊次數(shù):318

    0引言

    隨著電動汽車的快速發(fā)展,人們對充電基礎設施規(guī)劃與建設提出了更高要求。與此同時,碳達峰、碳中"戰(zhàn)略背景下,為應對化石能源枯竭和環(huán)境污染問題,提升可再生能源發(fā)展和利用水平、實現(xiàn)能源可持續(xù)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、負荷波動平抑和延緩輸電線路擴容功能的新型充電服務設施,近年來得到了廣泛關注與研究。儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)給定控制目標,結合功率平衡關系得到被控對象的功率控制信號,使其在運行時對該信號進行跟蹤,可有效解決上述問題。采用低通濾波、移動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(tǒng)進行并網(wǎng)功率平滑控制,提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)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,通過設定峰谷閾值進行并網(wǎng)負荷整形;結合分時電價確定儲能系統(tǒng)充放電時刻,通過對儲能進低儲高"賺取峰谷電價差,提升了儲能電站運行的經(jīng)濟效益。綜上,根據(jù)不同控制目標,儲能系統(tǒng)主要運行模式可分為并網(wǎng)功率平滑、并網(wǎng)負荷整形和分時電價套利等。實際應用中,光儲充電站儲能系統(tǒng)的優(yōu)化運行往往不能簡單從電網(wǎng)側功率調(diào)節(jié)或負荷側經(jīng)濟運行等單一方面考慮。

    針對上述問題,本文提出一種考慮多模式融合的光儲充電站儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略。通過對光儲充電站儲能系統(tǒng)功率平滑、負荷整形和分時電3種運行模式進行融合設計,建立光儲充電站儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制模型,得到兼具多種技術優(yōu)勢的儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略,并結合上海某光儲充電站運行數(shù)據(jù)進行仿真與實驗分析,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(tǒng)電動汽車充電站結構,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,作為光儲充電站的重要電力來源;儲能電池組通DC/AC變換器與交流母線相連,用于平抑交流母線不平衡功率;能量管理系統(tǒng)通過監(jiān)測各能量單元的功率信息對各時刻光伏電池組、儲能電池組和電網(wǎng)的功率進行調(diào)控,以滿足充電負荷需求。

    img1 

    *大化新能源消納,光伏逆變器采*大功率點跟蹤控制模[19],任意時t的光伏出力可視為不可控量,與電動汽車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;為電動汽車充電負荷;為光伏出力;為交流充電負荷;為直流充電負荷。

    由式3)可知,通過改變各時刻儲能系統(tǒng)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(tǒng)雙向變功率輸出特性,通過調(diào)節(jié)各時刻儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)及其功率大小,緩沖光伏發(fā)電與電動汽車充電負荷的功率驟變,使光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線趨于平滑,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(tǒng)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(wěn)定在合理的上下限之間,延緩輸電線路擴容。

    3)分時電價模式。

    分時電價模式主要從光儲充電站運營角度對儲能系統(tǒng)充放電時段進行優(yōu)化調(diào)整,其具體方式是利用儲能系統(tǒng)在谷電價時段充電、峰電價時段放電,以獲取峰谷差價利潤,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現(xiàn)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個方面進行了優(yōu)化,改善了光儲充電站并網(wǎng)負荷功率質(zhì)量;分時電價模式則利用峰谷電價差降低了光儲充電站購電成本,提高運行經(jīng)濟性。然而,光儲充電站實際運行過程中需要兼顧電網(wǎng)側運行的技術性指標和充電站經(jīng)濟性指[6],因此須對以3種運行模式進行融合設計。

    2多模式融合的光儲充電站儲能系統(tǒng)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,是不同技術指標2種并網(wǎng)負荷功率調(diào)節(jié)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,同時實現(xiàn)負荷整形控制要求。分時電價模式的儲能系統(tǒng)充放電功率則主要取決于峰谷電價時段,與實際并網(wǎng)負荷功率的變化情況可能存在一定偏差,即峰電價時段不一定為實際負荷峰值時段,谷電價時段不一定為實際負荷谷值時段。因此,若簡單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(wěn)定運行。此外,考慮工作周期內(nèi)儲能系統(tǒng)參與并網(wǎng)負荷功率調(diào)節(jié)的充電量和放電量通常不相等,若不采取措施對儲能系統(tǒng)進行能量平衡,將難以保證儲能系統(tǒng)長時間持續(xù)運行。

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

    1)根據(jù)各時刻光伏出力和充電負荷數(shù)據(jù),得到各時刻光儲充電站原始并網(wǎng)負荷功率,即各時刻等效負荷功率,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行負荷整形處理,進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"的分時電價模式,對上述能量差進行平衡。因此,光儲充電站多模式融合運行目標主要2個部分構成。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行融合,實現(xiàn)光儲充電站并網(wǎng)負荷曲線的優(yōu)化調(diào)節(jié);結合光儲充電站經(jīng)濟運行要求,利用分時電價模式進一步解決融合運行帶來的儲能系統(tǒng)能量不平衡問題。

    3仿真分析

    3.1數(shù)據(jù)來源

    選取3所示上海某光儲充電24h運行曲線進行仿真分析。該光儲充電站具體配置參數(shù)如

    2所示,其功率采樣時間間Δt=1min。

    img3 

    3.2仿真結果與分析

    3.2.1仿真結果

    設定滑動系數(shù)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(tǒng)待平衡能量?7.65kW·h,即能量平衡前儲能系統(tǒng)24h放電量比充電量7.65kW·h,因此須增大儲能系統(tǒng)充電量。根據(jù)上海*新分時電價政策08:0011:00、18:0021:00為峰時段;06:0008:0011:0018:00、21:0022:00為平時段;22:00至次06:00為谷時段。結合3可知,光儲充電站00:0006:00負荷較低,且處于谷電價時段,宜在此階段增大儲能系統(tǒng)充電功率,進行儲能系統(tǒng)能量平衡。因此,設00:0006:00為能量平衡時段,即T1=00:00,T2=06:00。基于以上設定,可得到所提策略下儲能系統(tǒng)充放電功率曲線SOC變化曲線,如4所示。

    img4 

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

    img5 

    4 Acrel-2000MG充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

    4.1平臺概述

    Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng),是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求,總結國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的先進經(jīng)驗,專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入*進行數(shù)據(jù)采集分析,直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況,是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經(jīng)濟優(yōu)化運行為目標,促進可再生能源應用,提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、補償負荷波動;有效實現(xiàn)用戶側的需求管理、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(tǒng)應采用分層分布式結構,整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層:設備層、網(wǎng)絡通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡采用標準以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議,物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

    4.2平臺適用場合

    系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

    5充電站微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)解決方案

    5.1實時監(jiān)測

    微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機界面友好,應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài),實時監(jiān)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中,各子系統(tǒng)回路電參量主要有:相電壓、線電壓、三相電流、有/無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有/無功電度、頻率和正向有功電能累計值;狀態(tài)參數(shù)主要有:開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

    系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理,使管理人員實時掌握發(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(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理,能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警,并支持定期的電池維護。

    微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面,包含微電網(wǎng)光伏、風電、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(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求,也可將充電,儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

    img7 

    1系統(tǒng)主界面

    子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

    5.1.1光伏界面

    img8 

    img9 

    2光伏系統(tǒng)界面

    本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息,主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照//環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析;同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

    5.1.2儲能界面

    img10 

    3儲能系統(tǒng)界面

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

    img11 

    4儲能系統(tǒng)PCS參數(shù)設置界面

    本界面主要用來展示PCS的參數(shù)進行設置,包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

    img12 

    5儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設置界面

    本界面用來展示BMS的參數(shù)進行設置,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儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側數(shù)據(jù)界面

    本界面用來展示PCS電網(wǎng)側數(shù)據(jù),主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。

    img14 

    7儲能系統(tǒng)PCS交流側數(shù)據(jù)界面

    本界面用來展示PCS交流側數(shù)據(jù),主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

    img15 

    8儲能系統(tǒng)PCS直流側數(shù)據(jù)界面

    本界面用來展示PCS直流側數(shù)據(jù),主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

    img16 

    9儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面

    本界面用來展示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

    本界面用來展示BMS狀態(tài)信息,主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等,同時展示當前儲能電池SOC信息。

    img18 

    11儲能電池簇運行數(shù)據(jù)界面

    本界面用來展示對電池簇信息,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風電界面

    img19 

    img20 

    12風電系統(tǒng)界面

    本界面用來展示對風電系統(tǒng)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(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風//環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析;同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

    5.1.4充電站界面

    img21 

    img22 

    13充電站界面

    本界面用來展示對充電站系統(tǒng)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、各個充電站的運行數(shù)據(jù)等。

    5.1.5視頻監(jiān)控界面

    img23 

    14微電網(wǎng)視頻監(jiān)控界面

    本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面,且通過不同的配置,實現(xiàn)預覽、回放、管理與控制等。

    5.1.6發(fā)電預測

    系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)、未來天氣預測數(shù)據(jù),對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測,并展示合格率及誤差分析。根據(jù)功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃,便于用戶對該系統(tǒng)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(tǒng)應可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息,進行系統(tǒng)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、動態(tài)擴容等。

    具體策略根據(jù)項目實際情況(如儲能柜數(shù)量、負載功率、光伏系統(tǒng)能力等)進行接口適配和策略調(diào)整,同時支持定制化需求。

    img25img26 

    16策略配置界面

    5.1.8運行報表

    應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設*時間的運行參數(shù),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(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

    img27 

    17運行報表

    5.1.9實時報警

    應具有實時報警功能,系統(tǒng)能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位,及設備內(nèi)部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警,應能實時顯示告警事件或跳閘事件,包括保護事件名稱、保護動作時刻;并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

    img28 

    18實時告警

    5.1.10歷史事件查詢

    應能夠?qū)b信變位,保護動作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電芯溫度(鋰離子電池)、壓力(液流電池)、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。

    img29 

    19歷史事件查詢

    5.1.11電能質(zhì)量監(jiān)測

    應可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測,使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質(zhì)量情況,以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

    1)在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質(zhì)量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點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(tǒng)應能實時顯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)電壓波動與閃變:系統(tǒng)應能顯A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值;應能提A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線;應能顯示電壓偏差與頻率偏差;

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

    5)電壓暫態(tài)監(jiān)測:在電能質(zhì)量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時,系統(tǒng)應能產(chǎn)生告警,事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員;系統(tǒng)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(shù)據(jù)統(tǒng)計:系統(tǒng)應能顯1min統(tǒng)計2h存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù),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、狀態(tài)(動作或返回)、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

    6結束語

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

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

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

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

    4)實驗表明,所提策略下儲能系統(tǒng)實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(tǒng)視為整體,與光儲充電站中其他能量單元進行功率的優(yōu)化分配。事實上,隨著電池儲能系統(tǒng)壽命周期的不斷增長,其內(nèi)部各儲能單元將呈現(xiàn)出一定的個體差異性,因此基于論文所提策略框架下的儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率分配問題將是下一步研究重點。

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    5】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手2022.05.

     

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