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1、陽光電源干細胞電網技術（Stem Cell Tech）白皮書助力新型電力系統平穩運行“雙碳”背景下，可再生能源并網比例持續提升，極端氣候頻發，諸多不確定性因素疊加，新型電力系統形態趨于復雜，系統運行穩定性面臨新挑戰。儲能系統作為新型電力系統中的關鍵環節，在電網穩定性構建中發揮著不可或缺的作用。隨著新能源比例進一步提升，對儲能系統的電網支撐能力提出了新要求。陽光電源創新性提出 Stem Cell 干細胞電網技術，探索電網穩定性課題，助力新型電力系統平穩運行，白皮書對技術方案及應用作了系統化闡述，供行業參考。搓!蹂PREFACE唪!檸CONTENTS12141622263/2!翄紙醭袊呯3/3!哃

2、憈駣3/4!嶊濱?；s醭袊呯新型電力系統面臨的挑戰4/2!亱媰矇醁濱褀恖梮4/3!靕姉哃憈駣恾壽恖梮4/4!QPE嗚籹憈駣喺恖梮4/5!孎蟩鄀翄紙椨婠恖梮4/6!榠屟嶊敆搫恖梮4/7!HX鄀蕓誤恖梮4/8!麉愐儕瑧訕扡恖梮干細胞電網技術2/2!瀷籌詵畝羠镾瑧扟駱2/3!瀷籌翄撾翄厸侕扟駱!2/4!瀷籌竑紙茻牐翄新型電力系統特征與趨勢總結及展望客戶價值6/2!鶜扥勛2611lX孎翄鈫茩6/3!琒譯墕43NX昦矇翄撾跀酛茩6/4!譯銊棧訅呏鄐墕26NX06/6NXi蕓誤茩24應用案例“雙碳”目標下，能源結構轉型進一步加速，可再生能源比例不斷提升。截止 2022 年，全球風、光發電累計裝機量高達216

3、8GW，占全球總裝機量的 25%，成為能源結構中重要組成部分。據預測，2030 年全球風、光發電裝機規模將增至7219GW，占全部裝機量的 47%，未來的電網形態將發生較大變化。高比例可再生能源接入高比例電力電子設備接入高比例特高壓直流輸電伴隨風、光等可再生能源大量接入，電力電子發電設備在電力系統中占比不斷提升，由于可再生能源發電與傳統同步發電機的控制特性差異、電網中諸多電力電子設備控制方案不同，低慣量、低阻尼、弱電壓支撐已成為新型電力系統的顯著特征。同時，輸電側的換流站和潮流控制（如統一潮流控制器，靜止同步串聯補償器）、用電側的充電樁等電力電子設備大量接入，進一步增加了電網復雜性，對電網穩定

4、運行提出新挑戰。我國能源生產、消費呈現逆向分布，風、光能源大基地、大水電、大核電等集約化開發主要集中在西南、西北、東北、華北地區，電力負荷中心主要集中在中東部地區，以特高壓為骨干網架的大容量、遠距離能源輸送大通道建設全面加速，不斷深化“西電東送”、擴大“北電南送”的能源配置格局。截至“十三五”末，累計建成投運“14 交 12 直”特高壓工程，“十四五”規劃建設“24 交 14 直”工程，涉及線路 3 萬余公里，變電換電容量達 3.4 億 kVA。大容量遠距離能源輸送通道下，由嚴重故障引發的局部電網間解列會引起全網功率大范圍轉移。目前特高壓直流母線電壓高達 1100kV，當發生換相失敗、直流閉鎖

5、，導致功率不平衡、瞬時過電壓等問題時，會增加系統頻率和電壓失穩風險，對變流設備性能如慣量支撐、頻率支撐、電壓支撐提出更高要求。昦矇翄撾跀酛竑嬕醮獻圖 1：全球風、光發電裝機規模預測（數據來源：彭博新能源財經）圖 2：我國特高壓輸電分布示意圖（信息來源：公開資料整理）竑紙茻牐竑紙鯪牐32譯雲譯趼譯雲趼攢犦噿雲攢雲跤攢譯1&6&21&26&31&36&41&46&51&56&61&21113111411151116111711181119111HX風、光發電累計裝機量(GW)風、光發電累計裝機占比(%)在有限的區域電網容量條件下，新能源電站大規模接入，風力、光照等天然因素影響功率波動，導致系統電壓

6、穩定性降低。在輸電線串補投退、特高壓直流換相失敗等場景下，系統電壓的穩態、暫態波動更大，對電力系統動態電壓調節能力提出更高要求。在工程應用中，存在高低電壓多次連續故障穿越的支撐需求，如圖 3所示。電力電子設備自身屬性引發的電力系統振蕩由傳統的工頻段擴展到中高頻段，新型電力系統呈現多種失穩模式耦合的復雜特性。近年來，全球發生多起新能源大規模并網引發振蕩脫網事故，寬頻振蕩成為新型電力系統亟待解決的問題。高比例可再生能源接入，電力系統由“確定性發電跟蹤不確定負荷”轉變為“不確定發電與不確定負荷雙向匹配”。風、光發電等可再生能源大規模接入，系統慣量變低，引發頻率不穩定，影響電機和其它電氣設備的使用性能

7、,嚴重時會導致系統性的頻率崩潰，造成大面積停電。昦矇翄撾跀酛踮艊慙徔電壓不穩定1寬頻振蕩2慣量低、頻率不穩定3高比例可再生能源接入和消納、同步發電機容量降低，系統慣量減小，風、光發電的波動性、隨機性、間歇性、特高壓直流換相失敗等因素，對電力系統的運行穩定性產生影響。圖 3：電網連續電壓故障穿越需求示例圖 4：電力電子設備端寬頻振蕩現象0.200.20.40.60.811.21.60.40.60.811.21.4機端 35kVUnt(s)t(s)換流站 750kV圖 5：電力系統頻率調節過程0頻率(Hz)慣性響應一次調頻二次調頻直到 15min53054t(s)t(s)500Voltage(V)

8、Current(A)0-500200-201.001.021.041.061.081.101.001.021.041.061.081.10妔鄫钄翄鈫恖梮Tufn!Dfmm!Ufdi隨著可再生能源滲透率的持續提升，儲能系統并網技術從適應電網階段到支撐電網階段，邁入構建電網階段。陽光電源基于對電網的深刻理解，創新性提出干細胞電網技術（Stem Cell Tech），助力新型電力系統平穩運行，構網型控制技術是其中重要組成之一。儲能系統通過調頻調壓、諧波抑制、黑啟動等助力電網穩定運行,如同干細胞對人體組織的修復、凈化、造血等功能。圖 7：儲能配套光伏可靠并網仿真拓撲 動態虛擬阻抗技術：當系統正常運行時

9、，PCS 以常規虛擬阻抗并網運行，提升有功功率和無功功率的自動均分能力。當系統短路或過載，PCS 產生過電流，輸出電流大于預設值且端口電壓低于預設電壓時，PCS 自動切換為虛擬阻抗自適應模式，自動調節虛擬阻抗值,實時調整電壓給定、閉環控制設備并網點的電壓。PCS 能實時參與構建電網電壓，自動輸出無功，平穩完成連續電網電壓故障穿越，是分布式電網場景下電壓故障穿越的基礎技術。自適應寬頻振蕩抑制技術2在電力電子化的新型電力系統內，系統等效阻抗不匹配、控制參數不當、系統延時等會增加工頻和高頻振蕩的風險。如區域內外的功率協調調度策略不一致和響應差異、電力電子設備與電網阻抗之間的諧振等，將引發系統寬頻振蕩

10、現象。POD 功率振蕩阻尼技術3全球范圍內已有部分國家的電力并網規范要求儲能系統具備功率振蕩阻尼（POD）技術，需檢測并抑制 0.3-2Hz低頻范圍內有功振蕩，在新能源滲透率較高的區域將提出更高要求。如圖 10 所示，在 PSCAD 仿真系統中建立含有儲能的系統配置，其中 SG1、SG2 為同容量 200MW 的發電單元，各自近端有本地負荷 100MW。儲能系統 ESS 在近 SG2 一側。模擬負荷干擾，LOAD3 有功 10MW。從圖 8 可以看出，在儲能不進行寬頻振蕩抑制的情況下，光儲并網點 Bus 1 處電壓發生持續性振蕩，振蕩頻率在 30Hz附近。當引入寬頻振蕩抑制策略并采用電壓源控制

11、時，可在工頻周期內快速消除振蕩，穩定電網?；诟咝阅軘底挚刂破鞯墓策B接點（PCC）電壓、電流快速頻域/時域諧振分析，通過多維度寬頻振蕩的智能感知，提取關鍵特征信息識別振蕩，利用電壓源構網技術，重塑并網阻抗，消除振蕩，使系統適應復雜的電網工況。如圖 7 仿真示例所示，光伏和儲能并網點通過兩回輸電線接入主網，其中 Line 1 額定電壓 275kV，Line 2 額定電壓 132kV，光伏并網容量 100MW，儲能并網容量 20MW/20MWh。仿真運行工況：當 Line 1 發生短路，繼保動作切除故障點。技術方案陽光電源儲能系統采用站級調度群控技術，能量管理系統（EMS）的 POD 控制器基于

12、采集 PCC 功率和頻率信息。當檢測頻率超閾值范圍時，基于功率微分計算量進行比例調節，并進行通訊延時和響應延時的補償校正，輸出阻尼功率，儲能系統響應阻尼功率的指令疊加，可在 35 個周波內抑制 0.15-2.5Hz 低頻功率振蕩，控制原理如圖 9 所示。技術方案圖 6：連續電網電壓故障穿越無功響應過程示例增強型連續高低穿技術1并網點電壓因短路等導致跌落、大負荷擾動導致過壓時，需要儲能系統保持并網，向電網提供無功功率支持電網恢復，“穿越”故障區域。GB/T 34120、GB/T 36547 等多個并網標準要求電壓故障穿越期間的無功響應時間為 30ms。在“三高”背景下，儲能系統應具備多次連續高低

13、穿構建能力，這也是下一代并網標準要求趨勢?？焖僬撔蚪怦罴夹g：儲 能 系 統 快 速 進 行 電 網 電 壓 的 故 障 檢 測（超 出0.9p.u.1.1p.u.），基于實時正負序解耦算法，提取電網電壓正負序分量，快速功率控制算法，實現 10ms 級無功響應，支撐電壓故障恢復。技術方案PVMaingridESSBus1LoadBus2 Bus3Bus12Bus13Bus4 Bus512圖 8：儲能采用電壓源抑制寬頻振蕩效果圖 9：POD 技術控制原理儲能功率輸出PTie延遲環節比例控制相位補償環節限幅控制dPTiedtWsntqvt(s)9/72/32/52/11/91/71/59/89/9

14、9/:/1:/2:/3:/4:/5:/6:/7mrqv9/71/92/11/71/51/319/89/99/:/1:/2:/3:/4:/5:/6:/7t(s)圖 10：PSCAD 仿真系統資源配置SG:同步發電機LOAD:負載ESS:儲能系統SG1SG2ESSLOAD1LOAD2LOAD376圖 11：無 POD 系統產生的寬頻振蕩01020304050 t(s)7.06.05.04.03.02.01.00-1.0(MW)TIE LINE POWERt(s)0.60.200.40.60.811.21.40.811.21.41.61.82Ugt(s)0.200.40.60.811.2Magnit

15、ude/pu抑制后抑制前Magnitude/pu0.60.811.21.41.61.82Ug如圖 11 所示,初始時刻，連接 LOAD3 的斷路器處于斷開狀態，此時 SG1，SG2 分別為近端負荷供電，聯絡線功率為0。第 4s 時，LOAD3 的斷路器閉合，聯絡線功率發生振蕩，振蕩頻率 0.3Hz。如圖 12 所示,引入 POD 控制器后，儲能響應 POD 輸出功率指令，系統振蕩被快速抑制。柔性慣量支撐技術5同步發電機具有大轉動慣量特性，基于電力電子技術的儲能系統應具備相應慣量支撐能力。電流源模式下的儲能系統，執行頻率響應時需先檢測再控制，產生秒級延遲，難以滿足新型電力系統的慣量響應需求。因此

16、，儲能系統需要具備電壓源特性，提供 ms 級慣量響應能力，穩定電網頻率。儲能系統采用虛擬同步機控制前提下：將一次調頻加入有功功率控制回路，支撐電網頻率，如控制框圖 17 所示。技術方案 VSG 的轉動慣量 J 受硬件條件限制較小，可靈活模擬設置。在系統發生擾動時，轉動慣量 J 和阻尼系數 KD等參數作用使系統頻率變化減慢，提高系統頻率和功角的穩定性。在離網和并網兩種場景中，慣量大小對頻率變化的影響如下：離網場景：多臺變流器與柴油發電機及其它能源組成電網，通過設置變流器的 TJ（慣性時間常數）在微電網中運行。a.TJ=0s，系統無慣性b.TJ=0.5s圖 13：電壓源等效原理圖電壓源特性電網母線

17、PCCpccipccUmCvm*E*ZgZc電壓參考值微秒級電壓構建技術4同步發電機具有自平衡能力、下垂特性、大轉動慣量等特點,有利于電力系統的穩定運行和負荷功率的合理分配。在高比例可再生能源的新型電力系統中，需要儲能系統模擬同步發電機特性，在正常運行時表現為低阻抗電壓源,以控制其輸出電壓幅值和相角，具有抑制其快速變化的固有特性，提高電力系統穩定性，參見圖 13 所示。儲能系統通過模擬同步發電機的調壓特性，實現對電網的無功支撐,如圖 14 所示。技術方案圖 14：電壓調節控制框圖一次調壓VvG(s)KutU0QdQeUtU10-+Qeref圖 17：頻率調節控制框圖一次調頻vvK0Pdv0-+

18、1/01/s1/JsKDPe-+Peref 在虛擬同步機（VSG）控制中，將端電壓Ut下垂調節(一次調壓功能)加入無功功率控制回路，有效支撐端電壓 Ut 的幅值；VSG 的無功-電壓控制模擬同步發電機的勵磁調節過程，用于表征無功-電壓下垂特性。將端電壓 Ut 進行實時閉環控制，在弱網、故障穿越等引發電壓暫態變化的工況下，輸出無功功率支撐端電壓 Ut。弱網下電流源模式控制效果見圖 15 所示，當滿載功率調度時，電網電壓波動范圍為 12%Un，易導致局部電網不穩，引發系統振蕩。弱網下電壓源模式控制效果見圖 16 所示，當并網滿載功率調度時，實現微秒級無功響應，電網電壓波動低于 2%Un，在不影響有

19、功調度的情況下，同時自動穩定端電壓 Ut。從圖 19 可以看出，當變流器增加 TJ=0.5s 慣性時，在電網動態頻率變化期間，與無慣性的系統相比，可以更快地自發注入有功功率，仿效同步發電機的轉子特性，抑制電網頻率變化。從圖 18 以看出，負載在 1.5 秒時加載、2 秒時切斷，當系統無慣性時，頻率下降或上升更快。隨著虛擬慣性增加，系統的頻率變化率顯著降低，系統頻率更加穩定。并網場景：變流器并入電網，并設置變流器的 TJ。a.TJ=0s，即系統無慣性b.TJ=0.5s當頻率發生變化時，系統在兩個不同時間常數下的功率變化，如圖 19 所示。當負載接入和切出時，系統在兩個不同時間常數下的頻率變化，如

20、圖 18 所示。98圖 12：POD 技術對寬頻振蕩的抑制效果6.07.05.04.03.02.01.00-1.001020304050 t(s)TIE LINE POWER(MW)圖 19：并網下慣量大小對頻率變化的影響200-2000-1200-400-800-600-10001.211.41.61.82.02.22.42.62.83TJ=0TJ=0.5s50.550.650.450.15049.950.250.31.211.41.61.82.02.22.42.62.83頻率（Hz）t(s)功率t(s)圖 18：離網下慣量大小對頻率變化的影響 50.45050.248.84949.849.

21、449.649.21.41.31.5頻率（Hz）t(s)1.61.71.81.92.02.12.2TJ=0TJ=0.5s1500功率1000-50005001.41.31.51.61.71.81.92.02.12.2t(s)圖 15：弱網下電流源模式自主電壓調節效果圖 16：弱網下電壓源模式自主電壓調節效果t(s)幅值800-800-600-400-20002004006000.30.320.340.360.380.40.420.440.460.480.5t(s)幅值800-800-600-400-2002004006000.30.320.340.360.380.40.420.440.460.

22、480.5IgUgIgUgGW 級黑啟動技術6黑啟動是同步發電機在異常停機的情況下，通過構建一定容量的電壓源，輔助主同步發電單元重新啟動。傳統黑啟動通過柴油機給同步發電機、變壓器等建立勵磁，長期備用污染大、運維成本高。隨著可再生能源接入比例越來越高、分布式電源普及，對儲能系統黑啟動的功能需求迫切，對黑啟動規模要求增大。儲能系統通過電壓源模式可以實現零電壓構網，協同多機同時零電壓起步、勵磁主變，其功能應具備：足夠的儲存能量：確保為部分電網供電，在離網模式下，為局域電網內輔助系統提供能量；耐大電流沖擊能力：在變壓器通電或啟動同步發電機瞬間，可耐短時大電流沖擊；軟啟動能力：以適宜斜率輸出電壓從零升壓

23、至標稱電壓，避免通電時產生過大的浪涌電流而觸發保護。以超大規模城市供電系統為例，電網分為多個供電子單元，各單元之間通過110kV及以上電壓等級聯絡，提高供電可靠性。供電子單元主要包含光伏、儲能、燃機等，如圖 20 所示。大規模分布式電網的黑啟動采用分區異步方式，主要過程為：分區異步啟動，建立各子站內部微網系統黑啟動時，單套儲能系統無法帶動燃氣輪機的輔助負載，EMS 根據微網內的啟動負荷，選取下限啟動容量，調度對應容量的儲能系統并聯啟機，支撐變壓器建立勵磁。某項目50MW 變流器同時啟動、建立電壓，與其它儲能系統（ESS）、光伏并列組網，建立微網的過程見圖 21 所示。其關鍵技術在于：多臺變流器

24、同步啟動控制：接收到黑啟動信號后，多臺變流器在無互聯通信條件下同步啟動，輸出電壓實現連續無臺階爬升，且啟動過程具備帶載能力，勵磁大容量主變。動態下垂均流控制：多臺變流器組網后，拖動燃機輔助啟動電機或者大容量隔離變壓器的投入，耐受大電流沖擊。技術方案圖 21：微網供電子單元啟動過程 T0T1T2T3VTVnormT4StartTimeNormalRunConnected with Solar Chainst（s）VoutConnected with other ESS ChainsT5MicroGrid EstablishedT6虛擬雙源疊控技術基于疊加原理，同時進行電壓源和電流源控制運算，并根

25、據應用需求進行功率分配和管理，對外輸出兼具電壓源和電流源控制雙重優勢，實時支撐電網電壓，提供慣量支撐，提高電網強度，實現寬范圍 SCR（0-100）系統穩定性，整站調度性能更好。虛擬雙源疊控技術7電力系統運行復雜多變，電壓源型并網控制具有實時穩壓、慣量支撐、構建電壓、提高電網強度等優點，但電壓源并網在強網下穩定性不足、調度響應慢，結合電流源型并網控制可起到互補作用?，F有基于電網阻抗自適應的雙模式控制理論，需要進行電網阻抗實時檢測，工程實現挑戰大。陽光電源提出虛擬雙源疊控技術，采用虛擬電流源、電壓源特性疊加的構網控制策略，如圖 24 所示。圖 24：虛擬雙源疊控技術的控制策略 abcdqiabc

26、vabcidqvdqPWRManageGFL Calcp,q cmdThree-PhasePWMWaveCalc.Q1Q6v-gflv-gfmGFM Calcmm,EpllVpcciabcvabcPWMemabc圖 20：多微網互聯供電系統圖110kV25km35kV35kV110kV20km20km110kV35kVESSPVESSICELOADLOADPVESSICELOAD 分區間同期并列不同分區支持電壓、頻率可調節，分區內 EMS 聯絡外部電壓、頻率信息，同期裝置進行合閘，完成整個分布式電網的構建。圖 22：組網后大容量負荷瞬投耐沖擊能力示例2000150010005000500-10

27、00-1500-2000-250000.511.522.533.54t(s)幅值交流電壓變流器 1 交流電流變流器 2 交流電流圖 23：多臺變流器間暫穩態均流效果示例0.511.522.533.544.551.41.210.80.60.40.20t(s)幅值交流電壓解析值變流器 1 電流解析值變流器 2 電流解析值21:咃忊麼過干 細 胞 電 網 技 術（Stem Cell Tech）使發電側呈現更穩定、更柔性的電源特征，可助力新型電力系統電壓、頻率更加穩定，提高風電、光伏脫網后的快速恢復能力。2322提升系統強度電網出現頻率波動時，提供毫秒級慣量響應，快速抑制頻率波動；電網電壓暫態變化時，

28、實現有功功率與端口電壓同步調節，電網電壓波動低于 2%Un?；謴碗娋W供電當局部電網發生脫網故障時，快速輔助燃氣輪機重啟、新能源場站發電再接入，實現區域、城市級的分布式電網構建，快速恢復供電。提升輔助收益快速靈活的參與電網調峰、調頻、備電應用等輔助服務，獲取收益。姉羮橉籌措勤縣平均海拔 4700 米以上，是國內為數不多的高海拔縣之一。年最高氣溫 25.0、最低氣溫-34.0，日照充足，冬春寒冷。當地能源結構以水電支撐為主、光伏為輔，發電出力受氣候影響大。措勤縣遠離西藏主電網，網架結構薄弱，運行控制難度大，整體供電可靠性較低。陽光電源集合水電、光伏、風電、混合儲能（鋰電及鉛酸）、柴油發電 5 種電

29、源并聯運行，建成三條電源進線、四條負荷出線的 10kV 微電網。通過 VSG 控制策略，將同步發電機轉子運動方程、一次調頻特性及無功調壓特性引入變流器中，具備電網電壓構建能力，提高微網系統頻率穩定性和供電質量。該電站是典型的可再生能源多能互補供電系統項目，通過多電源穩定地饋入負荷并保障電壓支撐能力，系統穩定性能大幅提升，保障措勤縣 4000 多城鎮、工商、牧民等用戶的可靠供電，在微電網領域多能源互補應用、高海拔地區應用、以及虛擬同步電機技術應用等多個方面具有里程碑意義。隨州位于湖北省北部，地處長江、淮河流域的交匯地帶，屬于北亞熱帶季風氣候。受太陽輻射和季風環流影響，隨州氣候溫和、四季分明、光照

30、充足、雨量充沛。受外送卡口限制，新能源消納困難，常規電源無法應對新能源出力波動，導致電力電量平衡困難。新能源無慣量、對電網支撐弱，導致系統調頻調壓能力下降，電網難以穩定運行。陽光電源采用基于能量路由器的多微網互聯解耦技術，提高外送能力；針對部分風力、光伏發電機組進行電壓源支撐技術改造，實時支撐電壓，提供虛擬慣量，且滿足孤島運行下的電壓構建能力。提高區域電網的供電質量，10kV 母線電壓波動幅度從15%Un 降低到 10%Un。減小電力系統投資，改善新能源消納能力，提高系統穩定性。印第安納州位于美國中北部，主要產業為先進制造業、工業機械生產、物流運輸等，是豐田汽車北美第二大生產廠、聯邦快遞美國第

31、二大中心。近年來，隨著煤炭能源被逐步淘汰，印第安納州著手發展可再生能源，通過配置儲能系統整合新增的間歇性可再生能源，并應對緊急的發電側脫網事故。陽光電源采用 15MW/5.5MWh 儲能系統，基于下垂控制的多臺 PCS 無線并聯構網技術，能夠快速拖動燃氣輪機轉子至設定速度，并且勵磁和軟啟動百兆瓦級送電主變壓器。完成 2 臺 110MW 燃氣輪機的黑啟動，快速恢復電網的穩定運行，替代柴油發電機，實現燃氣電站黑啟動，整個過程安全、優質、經濟。姉羮橉籌西藏 措勤1500kW 微電網項目湖北 隨州32MW 新型電力系統項目北美 印第安納州15MW/5.5MWh 黑啟動項目2524面向未來，新型電力系統建設將是一項極具創新性的系統工程，需要發電側、電網側、用戶側等多元主體深度協作、聯合創新，共建“源網荷儲”協調發展新生態。作為可再生能源規?；⒕W接入的重要一環，陽光電源儲能系統堅持“三電融合 專業集成”的技術理念，將在系統強度和短路容量提升、慣量支撐、寬頻振蕩抑制、故障穿越、大規模黑啟動等技術應用基礎上，不斷創新突破，持續助力新型電力平穩運行。岄酁醮嗴梐2726陽光電源股份有限公司中國合肥市高新區習友路1699號+86-551-6532 技術白皮書2023年3月印刷