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【发明授权】一种MMC谐波稳定性评估方法_华中科技大学;特变电工新疆新能源股份有限公司_201811549594.6 

申请/专利权人:华中科技大学;特变电工新疆新能源股份有限公司

申请日:2018-12-18

公开(公告)日:2020-01-10

公开(公告)号:CN109507481B

主分类号:G01R23/16(20060101)

分类号:G01R23/16(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.01.10#授权;2019.04.16#实质审查的生效;2019.03.22#公开

摘要:本发明公开了一种MMC谐波稳定性评估方法,用于评估MMC第k次交流谐波的稳定性,包括:根据MMC和换流变压器的基本参数计算MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc;在第一直角坐标系下绘制矢量Zmmc,并以矢量Zmmc的幅值为半径、以第一直角坐标系的原点为圆心绘制圆C;根据交流系统第k次背景谐波阻抗的基本参数,在第二直角坐标系中绘制矢量Zac末端的变化区域G;若变化区域G完全位于圆C外,则判定MMC第k次交流谐波稳定;否则,判定MMC第k次交流谐波不稳定。本发明考虑了交流系统背景谐波阻抗的影响,能够提高对MMC的谐波稳定性评估的准确度;通过几何作图的方法,能够准确、简便、直观的实现对MMC谐波稳定性的评估,具有较强的工程意义。

主权项:1.一种MMC谐波稳定性评估方法,用于评估MMC第k次交流谐波的稳定性,其特征在于,包括:1根据所述MMC和换流变压器的基本参数计算所述MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc;2在第一直角坐标系下绘制所述矢量Zmmc,并以所述矢量Zmmc的幅值为半径、以所述第一直角坐标系的原点为圆心绘制圆C;根据交流系统第k次背景谐波阻抗的基本参数,在第二直角坐标系中绘制矢量Zac末端的变化区域G;3若所述变化区域G完全位于所述圆C外,则判定所述MMC第k次交流谐波稳定;否则,判定所述MMC第k次交流谐波不稳定;其中,Zac为交流系统第k次背景谐波阻抗矢量;所述第一直角坐标系和所述第二直角坐标系均用于表示复数矢量;所述第二直角坐标系的原点为所述矢量Zmmc的末端,且实轴和虚轴分别与所述第一直角坐标系的实轴和虚轴平行。

全文数据:一种MMC谐波稳定性评估方法技术领域本发明属于电力系统输配电技术领域,更具体地,涉及一种MMC谐波稳定性评估方法。背景技术MMCModularMultilevelConverter,模块化多电平换流器自2001年提出以来,因其优异的工作性能和广阔的工程应用前景,获得了学术界和工业界广泛的关注,成为目前柔性直流输电领域最具潜力的优选拓扑。MMC接入的交流系统中难免存在背景谐波,其在运行过程中会受到交流系统背景谐波的影响。判断MMC在各次交流系统背景谐波的影响下能否稳定可靠工作,即评估MMC的谐波稳定性,是目前实际工程中关注的重点问题之一,也是亟待解决的难题之一。目前工程中,评估MMC谐波稳定性的方法往往通过推导MMC的谐波阻抗模型,而忽略了交流系统背景谐波阻抗的影响,因此评估准确度不高。而且现有的MMC谐波阻抗模型过于复杂,无法直接应用于工程计算。因此,构造能够方便用于判断谐波稳定性的MMC谐波阻抗模型,并结合交流系统背景谐波阻抗评估MMC的谐波稳定性在工程应用中有着重要的实际意义。发明内容针对现有技术的缺陷和改进需求,本发明提供了一种MMC谐波稳定性评估方法,旨在解决现有的评估MMC谐波稳定性的方法计算复杂且准确度不高的问题。为实现上述目的,本发明提供了一种MMC谐波稳定性评估方法,用于评估MMC第k次交流谐波的稳定性,包括:1根据MMC和换流变压器的基本参数计算MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc;2在第一直角坐标系下绘制矢量Zmmc,并以矢量Zmmc的幅值为半径、以第一直角坐标系的原点为圆心绘制圆C;根据交流系统第k次背景谐波阻抗矢量Zac的基本参数,在第二直角坐标系中绘制矢量Zac末端的变化区域G;3若变化区域G完全位于圆C外,则判定MMC第k次交流谐波稳定;否则,判定MMC第k次交流谐波不稳定;其中,第一直角坐标系和第二直角坐标系均用于表示复数矢量;第二直角坐标系的原点为矢量Zmmc的末端,且实轴和虚轴分别与第一直角坐标系的实轴和虚轴平行。在上述方法中,由于第二直角坐标系以矢量Zmmc的末端为原点,若变化区域G完全位于圆C外,则矢量之和Zmmc+Zac的结果矢量以第一直角坐标系的原点为起点且末端位于圆C外,此时,矢量幅值满足如下关系:由此可以得到交流系统第k次背景谐波电压在MMC的公共连接点PCC产生的谐波电压Ummc与交流系统第k次背景谐波电压Uac之间的放大系数为:当kh1时,换流器在交流系统k次谐波的长期影响下会出现损耗增大,结温上升的情况,虽然不会对器件造成致命影响,但是长期暴露于高频谐振会影响电力电子设备的使用寿命,最终导致设备无法可靠工作,可认为谐波不稳定;由此可知,本发明的评估结果与根据电压放大系数评估MMC谐波稳定性的评估结果一致,因此本发明能够准确评估MMC的谐波稳定性,而且本发明考虑了交流系统背景谐波阻抗的影响,能够有效提高评估准确度,并且本发明通过几何作图的方法,将阻抗矢量Zmmc与阻抗矢量之和Zmmc+Zac的幅值相对大小关系转化为了图形之间的位置关系,能够简便、直观的实现对MMC谐波稳定性的评估,具有较强的工程意义。进一步地,步骤1中,用于计算矢量Zmmc的阻抗模型为:其中,KT、LT和RT分别为换流变压器的变比、漏抗等效电感和损耗等效电阻,Larm和Rarm分别为MMC的桥臂电抗器电感值和桥臂等效电阻值,Zsbase为MMC的交流阻抗基值,Tm为MMC的调制延时,kP和kI分别为MMC的内环电流控制的比例环节参数和积分环节参数,ωu和ξu分别为MMC的交流电压信号滤波器的截止角频率和阻尼比,ωi和ξi分别为MMC的交流电流信号滤波器的截止角频率和阻尼比,s为复频率参变量。上述阻抗模型的确定方法如下:根据基尔霍夫电压定律,可以得到MMC交流侧电路动态方程为:式1中,i为从交流电网流入换流变压器的交流电流,Ucon为MMC交流侧电压;对式1采用Park变换,并忽略交叉耦合项的影响,可以得到:式2中,Ummcdq、Ucondq和idq分别为电压Ummc、电压Ucon和交流电流i在dq旋转坐标系下对应的量;将MMC的调制过程等效简化成一阶延时环节,可以得到MMC交流电压参考值与实际值Ucondq的关系为:当考虑的交流阻抗频率达到100Hz及以上时,可以忽略MMC外环控制及锁相环的影响;同时,对于交流阻抗,MMC的直流侧及内部动态的影响也可以忽略;基于上述特性,可以得到交流电压参考值的表达式为:由此可以得到MMC的交流阻抗为:根据上述确定阻抗模型的方法可知,本发明所提出的用于计算MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc的阻抗模型,对现有的MMC谐波阻抗模型进行了合理的简化,能够在准确获取到矢量Zmmc的前提下,有效简化计算过程,从而使得本发明所提供的方法能够直接应用于工程计算。进一步地,步骤2中,绘制变化区域G,包括:在第二直角坐标系中,绘制与实轴垂直且实部数值分别为Re_min和Re_max的直线l1和直线l2,从而得到矢量Zac的实部数值变化区域G1;绘制与虚轴垂直且虚部数值分别为Im_min和Im_max的直线l3和直线l4,从而得到矢量Zac的虚部数值变化区域G2;绘制以原点为圆心、以Z_abs_min和Z_abs_max为半径的圆C1和圆C2,从而得到矢量Zac的幅值变化区域G3;绘制以原点为端点、与实轴夹角分别为Pha_min和Pha_max的射线h1和射线h2,从而得到矢量Zac的角度变化区域G4;获得变化区域G1、变化区域G2、变化区域G3以及变化区域G4的交集,从而得到变化区域G;其中,Re_min和Re_max分别为矢量Zac的实部最小值和实部最大值,Im_min和Im_max分别为矢量Zac的虚部最小值和虚部最大值,Z_abs_min和Z_abs_max分别为矢量Zac的幅值最小值和幅值最大值,Pha_min和Pha_max分别为矢量Zac的角度最小值和角度最大值。进一步地,本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,还包括:S1若MMC第k次交流谐波稳定,则转入S3;否则,转入S2;S2根据变化区域G和圆C的位置关系调整MMC的控制参数,并执行步骤1-3以重新评估MMC第k次交流谐波稳定性;转入S1;S3将MMC当前的控制参数确定为使得MMC第k次交流谐波稳定的控制参数;其中,控制参数包括内环电流控制的比例环节参数、交流电压信号滤波器的截止角频率和交流电流信号滤波器的截止角频率。本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,还能够根据评估结果,获得使得MMC第k次交流谐波稳定的MMC控制参数,从而从谐波稳定性的角度为MMC的设计提供理论指导,具有较强的工程实际意义。更进一步地,步骤S2中,调整MMC的控制参数,包括:根据变化区域G和圆C的位置关系,调节内环电流控制的比例环节参数;若调节内环电流控制的比例环节参数无法使得MMC第k次交流谐波稳定,则根据变化区域G和圆C的位置关系,调节交流电压信号滤波器的截止角频率;若调节交流电压信号滤波器的截止角频率无法使得MMC第k次交流谐波稳定,则根据变化区域G和圆C的位置关系,调节交流电流信号滤波器的截止角频率。总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够取得以下有益效果:1本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,考虑了交流系统背景谐波阻抗的影响,能够更为准确地评估MMC的谐波稳定性;通过几何作图的方法,将阻抗矢量Zmmc与阻抗矢量之和Zmmc+Zac的幅值相对大小关系转化为了图形之间的位置关系,避免了对交流阻抗变化范围进行逐点扫描计算验证,能够准确、简便、直观的实现对MMC谐波稳定性的评估,具有较强的工程意义。2本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,所提出的MMC交流阻抗模型对现有的MMC谐波阻抗模型进行了合理的简化,能够在准确获取到矢量Zmmc的前提下,有效简化计算过程,从而使得本发明所提供的方法能够直接应用于工程计算。3本发明所提供的MCM谐波稳定性评估方法,能够根据评估结果,获得使得MMC第k次交流谐波稳定的MMC控制参数,从而从谐波稳定性的角度为MMC的设计提供理论指导,具有较强的工程实际意义。附图说明图1为现有的MMC与交流系统阻抗串联模型示意图;图2为本发明实施例提供的MMC谐波稳定性评估方法的流程图;图3为本发明实施例提供的MMC交流侧等效电路示意图;图4为本发明实施例提供的MMC交流侧等效传递函数框图;图5a为本发明实施例提供的第一直角坐标系中阻抗矢量Zmmc及圆C的示意图;图5b为本发明实施例提供的第二直角坐标系中区域G的示意图;图5c为区域G与圆C的位置关系示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。在详细介绍本发明的技术方案之前,先对本发明的基本原理进行简单介绍。图1所示为MMC与交流系统的第k次谐波阻抗串联模型,图中Zmmc为MMC交流谐波阻抗矢量,Zac为交流电网背景谐波阻抗矢量,Uac为交流系统背景谐波电压,Ummc为交流系统背景谐波电压在MMC的公共连接点PCC产生的谐波电压;由此可得Ummc对Uac的放大系数kh为:当kh1时,换流器在交流系统k次谐波的长期影响下会出现损耗增大,结温上升的情况,虽然不会对器件造成致命影响,但是长期暴露于高频谐振会影响电力电子设备的使用寿命,最终导致设备无法可靠工作,可认为谐波不稳定;因此,可将判断谐波稳定性转化为判断阻抗矢量Zmmc和阻抗矢量之和Zmmc+Zac的幅值相对大小关系,这样既能实现对MMC谐波稳定性的评估,又能将交流系统背景谐波阻抗的影响考虑,提高评估准确度。基于上述原理,本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,用于评估MMC第k次交流谐波的稳定性,如图2所示,包括:1根据MMC和换流变压器的基本参数计算MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc;换流变压器的基本参数包括换流变压器的变比KT、漏抗等效电感LT以及损耗等效电阻RT;MMC的基本参数包括MMC的桥臂电抗器电感值Larm、桥臂等效电阻值Rarm、交流阻抗基值Zsbase、调制延时Tm、内环电流控制的比例环节参数kP和积分环节参数kI、交流电压信号滤波器的截止角频率ωu和阻尼比ξu以及交流电流信号滤波器的截止角频率ωi和阻尼比ξi;在一个可选的实施方式中,步骤1中,用于计算矢量Zmmc的阻抗模型为:其中,s为复频率参变量,并且s与基频角频率ω和谐波次数k满足:s=jkω,j为虚数单位;上述阻抗模型的确定方法如下:图3所示为MMC交流侧等效电路示意图,根据基尔霍夫电压定律,可以得到MMC交流侧电路动态方程为:式1中,i为从交流电网流入换流变压器的交流电流,Ucon为MMC交流侧电压;对式1采用Park变换,并忽略交叉耦合项的影响,可以得到:式2中,Ummcdq、Ucondq和idq分别为电压Ummc、电压Ucon和交流电流i在dq旋转坐标系下对应的量;将MMC的调制过程等效简化成一阶延时环节,可以得到MMC交流电压参考值与实际值Ucondq的关系为:当考虑的交流阻抗频率达到100Hz及以上时,可以忽略MMC外环控制及锁相环的影响;同时,对于交流阻抗,MMC的直流侧及内部动态的影响也可以忽略;基于上述特性,可以得到如图4所示的MMC交流侧等效传递函数框图;根据图4所示的传递函数框图可以得到交流电压参考值的表达式为:由此可以得到MMC的交流阻抗为:根据上述确定阻抗模型的方法可知,本发明所提出的用于计算MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc的阻抗模型,对现有的MMC谐波阻抗模型进行了合理的简化,能够在准确获取到矢量Zmmc的前提下,有效简化计算过程,从而使得本发明所提供的方法能够直接应用于工程计算;2在第一直角坐标系下绘制矢量Zmmc,并以矢量Zmmc的幅值为半径、以第一直角坐标系的原点为圆心绘制圆C;根据交流系统第k次背景谐波阻抗矢量Zac的基本参数,在第二直角坐标系中绘制矢量Zac末端的变化区域G;交流系统第k次背景谐波阻抗矢量Zac的基本参数包括实部最小值Re_min、实部最大值Re_max、虚部最小值Im_min、虚部最大值Im_max、幅值最小值Z_abs_min、幅值最大值Z_abs_max、角度最小值Pha_min以及角度最大值Pha_max;第一直角坐标系和第二直角坐标系均用于表示复数矢量;第二直角坐标系的原点为矢量Zmmc的末端,且实轴和虚轴分别与第一直角坐标系的实轴和虚轴平行;在一个可选的实施方式中,步骤2中,绘制变化区域G,包括:在第二直角坐标系中,绘制与实轴垂直且实部数值分别为Re_min和Re_max的直线l1和直线l2,从而得到矢量Zac的实部数值变化区域G1;绘制与虚轴垂直且虚部数值分别为Im_min和Im_max的直线l3和直线l4,从而得到矢量Zac的虚部数值变化区域G2;变化区域G1和变化区域G2的交集为一个矩形区域;绘制以原点为圆心、以Z_abs_min和Z_abs_max为半径的圆C1和圆C2,从而得到矢量Zac的幅值变化区域G3;绘制以原点为端点、与实轴夹角分别为Pha_min和Pha_max的射线h1和射线h2,从而得到矢量Zac的角度变化区域G4;变化区域G3和变化区域G4的交集为一个环带形区域;获得变化区域G1、变化区域G2、变化区域G3以及变化区域G4的交集,从而得到变化区域G;3若变化区域G完全位于圆C内,则判定MMC第k次交流谐波稳定;否则,判定MMC第k次交流谐波不稳定;由于第二直角坐标系以矢量Zmmc的末端为原点,若变化区域G完全位于圆C外,则矢量之和Zmmc+Zac的结果矢量以第一直角坐标系的原点为起点且末端位于圆C外,此时,矢量幅值满足如下关系:由此可以得到交流系统第k次背景谐波电压在MMC的公共连接点PCC产生的谐波电压Ummc与交流系统第k次背景谐波电压Uac之间的放大系数为:因此,根据电压放大系数可判定系统稳定;由此可知,本发明能够准确评估MMC的谐波稳定性,而且由于考虑了交流系统背景谐波阻抗的影响,能够提高评估准确度,并且本发明通过几何作图的方法,将阻抗矢量Zmmc与阻抗矢量之和Zmmc+Zac的幅值相对大小关系转化为了图形之间的位置关系,能够简便、直观的实现对MMC谐波稳定性的评估,具有较强的工程意义。为获得使得MMC第k次交流谐波稳定的控制参数,除了上述步骤,本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,还包括:S1若MMC第k次交流谐波稳定,则转入S3;否则,转入S2;S2根据变化区域G和圆C的位置关系调整MMC的控制参数,并执行步骤1-3以重新评估MMC第k次交流谐波稳定性;转入S1;在一个可选的实施方式中,步骤S2中,调整MMC的控制参数,包括:根据变化区域G和圆C的位置关系,调节内环电流控制的比例环节参数;若调节内环电流控制的比例环节参数无法使得MMC第k次交流谐波稳定,则根据变化区域G和圆C的位置关系,调节交流电压信号滤波器的截止角频率;若调节交流电压信号滤波器的截止角频率无法使得MMC第k次交流谐波稳定,则根据变化区域G和圆C的位置关系,调节交流电流信号滤波器的截止角频率。S3将MMC当前的控制参数确定为使得MMC第k次交流谐波稳定的控制参数;其中,控制参数包括内环电流控制的比例环节参数、交流电压信号滤波器的截止角频率和交流电流信号滤波器的截止角频率。本发明所提供的MMC谐波稳定性评估方法,还能够根据评估结果,获得使得MMC第k次交流谐波稳定的MMC控制参数,从而从谐波稳定性的角度为MMC的设计提供理论指导,具有较强的工程实际意义。应用实例在一个系统中,换流变压器和MMC的基本参数如表1所示。评估该MMC第3次交流谐波的稳定性,用式5所示的MMC交流阻抗模型计算MMC的第3次交流谐波阻抗,s=j*300π,在第一直角坐标系中所绘制的矢量Zmmc和圆C如图5a所示;交流系统第3次背景谐波阻抗矢量的基本参数如表2所示,在第二直角坐标系中绘制的变化区域G如图5b所示;在本系统中,通过作图,变化区域G和圆C的位置关系如图5c所示,由于变化区域G完全位于圆C外,因此,在此系统中,MMC第3次交流谐波稳定。表1换流变压器和MMC的基本参数表2交流系统背景谐波阻抗矢量基本参数谐波次数k3实部最小值Re_min0.0080Ω实部最大值Re_max0.0670Ω虚部最小值Im_min-0.0160Ω虚部最大值Im_max0.0344Ω幅值最大值Z_abs_max0.0688Ω幅值最小值Z_abs_min0.0124Ω角度最大值Pha_max67.1790°角度最小值Pha_min-27.6810°本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求:1.一种MMC谐波稳定性评估方法,用于评估MMC第k次交流谐波的稳定性,其特征在于,包括:1根据所述MMC和换流变压器的基本参数计算所述MMC的第k次交流谐波阻抗矢量Zmmc;2在第一直角坐标系下绘制所述矢量Zmmc,并以所述矢量Zmmc的幅值为半径、以所述第一直角坐标系的原点为圆心绘制圆C;根据交流系统第k次背景谐波阻抗的基本参数,在第二直角坐标系中绘制所述矢量Zac末端的变化区域G;3若所述变化区域G完全位于所述圆C外,则判定所述MMC第k次交流谐波稳定;否则,判定所述MMC第k次交流谐波不稳定;其中,所述第一直角坐标系和所述第二直角坐标系均用于表示复数矢量;所述第二直角坐标系的原点为所述矢量Zmmc的末端,且实轴和虚轴分别与所述第一直角坐标系的实轴和虚轴平行。2.如权利要求1所述的MMC谐波稳定性评估方法,其特征在于,所述步骤1中,用于计算所述矢量Zmmc的阻抗模型为:其中,KT、LT和RT分别为所述换流变压器的变比、漏抗等效电感和损耗等效电阻,Larm和Rarm分别为所述MMC的桥臂电抗器电感值和桥臂等效电阻值,Zsbase为所述MMC的交流阻抗基值,Tm为所述MMC的调制延时,kP和kI分别为所述MMC的内环电流控制的比例环节参数和积分环节参数,ωu和ξu分别为所述MMC的交流电压信号滤波器的截止角频率和阻尼比,ωi和ξi分别为所述MMC的交流电流信号滤波器的截止角频率和阻尼比,s为复频率参变量。3.如权利要求1所述MMC谐波稳定性评估方法,其特征在于,所述步骤2中,绘制所述变化区域G,包括:在所述第二直角坐标系中,绘制与实轴垂直且实部数值分别为Re_min和Re_max的直线l1和直线l2,从而得到所述矢量Zac的实部数值变化区域G1;绘制与虚轴垂直且虚部数值分别为Im_min和Im_max的直线l3和直线l4,从而得到所述矢量Zac的虚部数值变化区域G2;绘制以原点为圆心、以Z_abs_min和Z_abs_max为半径的圆C1和圆C2,从而得到所述矢量Zac的幅值变化区域G3;绘制以原点为端点、与实轴夹角分别为Pha_min和Pha_max的射线h1和射线h2,从而得到所述矢量Zac的角度变化区域G4;获得所述变化区域G1、所述变化区域G2、所述变化区域G3以及所述变化区域G4的交集,从而得到所述变化区域G;其中,Re_min和Re_max分别为所述矢量Zac的实部最小值和实部最大值,Im_min和Im_max分别为所述矢量Zac的虚部最小值和虚部最大值,Z_abs_min和Z_abs_max分别为所述矢量Zac的幅值最小值和幅值最大值,Pha_min和Pha_max分别为所述矢量Zac的角度最小值和角度最大值。4.如权利要求1-3任一项所述的MMC谐波稳定性评估方法,其特征在于,还包括:S1若所述MMC第k次交流谐波稳定,则转入S3;否则,转入S2;S2根据所述变化区域G和所述圆C的位置关系调整所述MMC的控制参数,并执行所述步骤1-3以重新评估所述MMC第k次交流谐波稳定性;转入S1;S3将所述MMC当前的控制参数确定为使得所述MMC第k次交流谐波稳定的控制参数;其中,所述控制参数包括内环电流控制的比例环节参数、交流电压信号滤波器的截止角频率和交流电流信号滤波器的截止角频率。5.如权利要求4所述的MMC谐波稳定性评估方法,其特征在于,所述步骤S2中,调整所述MMC的控制参数,包括:根据所述变化区域G和所述圆C的位置关系,调节所述内环电流控制的比例环节参数;若调节所述内环电流控制的比例环节参数无法使得所述MMC第k次交流谐波稳定,则根据所述变化区域G和所述圆C的位置关系,调节所述交流电压信号滤波器的截止角频率;若调节所述交流电压信号滤波器的截止角频率无法使得所述MMC第k次交流谐波稳定,则根据所述变化区域G和所述圆C的位置关系,调节交流电流信号滤波器的截止角频率。

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