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                    一種基于ARM平臺的MPPT跟蹤控制器設計

                    添加時間:2020/06/15 來源:重慶交通大學 作者:姬偉超
                    文分析了光伏電池發電原理,建立 matlab 仿真模型,研究其對外輸出特性。通過模型仿真,獲取了電壓-電流與電壓-功率輸出特性曲線,對光伏電池最大功率點追蹤控制的特點進行分析與研究。
                    以下為本篇論文正文:

                    太陽能交通燈畢業設計--一種基于ARM平臺的MPPT跟蹤控制器設計

                    摘 要

                      交通領域的交通燈等設備,因其室外工作環境的特殊性,采用光伏供電具有節能環保、節約成本等優勢。尤其是針對輸供電困難的偏遠地區,交通設備采用光伏供電優勢顯著。光伏供電系統中,光伏最大功率點追蹤(MPPT)控制器是其關鍵技術之一,對提高整個光伏發電系統的效率意義重大。本文針對交通燈設備的光伏供電系統特點,設計了一種基于 ARM 平臺的 MPPT 跟蹤控制器。

                      本文分析了光伏電池發電原理,建立 matlab 仿真模型,研究其對外輸出特性。

                      通過模型仿真,獲取了電壓-電流與電壓-功率輸出特性曲線,對光伏電池最大功率點追蹤控制的特點進行分析與研究。

                      比較分析了各種傳統常用的 MPPT 控制算法的優缺點、適用場合等特點。對常規擾動法步長變化特點進行研究,提出了基于多狀態變步長的擾動法,該方法將步長變化劃分為五種狀態,按照一定規律變更步長,在 matlab 中建立仿真模型,檢驗了控制算法的有效性。針對負載變換拓撲結構的異同與性能,對常用的 Buck與 Boost 拓撲進行對比,分析各自特性與適用特點,最終選取 Boost 拓撲作為負載變換的基礎拓撲結構;制作了 MPPT 控制器。

                      針對交通燈的特殊應用需求,一方面設計了以 Boost 拓撲電路為基礎的主電路,并進行了防雷設計、過電流保護設計等;還設計了驅動隔離模塊、監控模塊、電壓與電流參數采樣等模塊;特別是設計了自恢復過流保護電路與輔助電源監控電路,減少一般故障下的維護負擔與人為干預。編寫軟件代碼并調試,主要包括系統初始化、PWM 生成模塊、AD 轉換模塊,同時設計了看門狗軟件保護程序,采集系統關鍵測試點參數進行分析。

                      最后,進行驗證實驗,將光照從某一量級階躍變換為另一量級,同時設置對比實驗,采集一般擾動法與優化后的擾動法的控制結果,觀察此時系統的電壓輸出、電流輸出等參數,對實驗采集數據進行歸納整理分析。結果表明:基于多狀態的變步長擾動控制可以快速識別追蹤功率最大點異常變動,響應外界條件變化速度快,控制精度高,抵御外界干擾能力強,證明本控制方案設計的正確性和有效性。

                      關鍵詞:光伏電池,最大功率點追蹤控制,數學建模,驗證實驗

                    太陽能交通燈

                    abstract

                      Because of the particularity of the outdoor working environment, the photovoltaic power supply has the advantages of energy conservation, environmental protection and cost saving. Especially for the remote areas where power transmission and supply are difficult, photovoltaic power supply has a significant advantage. In the photovoltaic power supply system, the MPPT controller is one of its key technologies, which is of great significance to improve the efficiency of the whole photovoltaic power generation system. According to the characteristics of photovoltaic power supply system of traffic light equipment, this paper designs a MPPT tracking controller based on ARM platform.

                      This paper analyzes the principle of photovoltaic power generation, establishes matlab simulation model, and studies its external output characteristics.

                      Through the model simulation, the voltage current and voltage power output characteristic curves are obtained, and the characteristics of the maximum power point tracking control of photovoltaic cells are analyzed and studied.

                      The advantages and disadvantages of various traditional MPPT control algorithms are compared and analyzed. This paper studies the step change characteristics of the conventional disturbance method, and puts forward the disturbance method based on the multi-state variable step. The method pides the step change into five states, changes the step according to a certain rule, establishes a simulation model in MATLAB, and verifies the effectiveness of the control algorithm. According to the difference and performance of load transformation topology, this paper compares the commonly used buck and boost topology, analyzes their characteristics and applicable characteristics, and finally selects boost topology as the basic topology of load transformation, and makes MPPT controller.

                      According to the special application requirements of traffic lights, on the one hand, we designed boost The main circuit based on topology circuit is designed with lightning protection and over-current protection; the driving isolation module, monitoring module, voltage and current parameter sampling module are also designed; especially the self recovery over-current protection circuit and auxiliary power supply monitoring circuit are designed to reduce the maintenance burden and human intervention under general faults. Write software code and debug, mainly including system initialization, PWM generation module, AD conversion module. At the same time, design watchdog software protection program, collect key test point parameters of the system for analysis.

                      Finally, a verification experiment is carried out to change the illumination from one level step to another. At the same time, a comparative experiment is set up to collect the control results of the general disturbance method and the optimized disturbance method, observe the voltage output, current output and other parameters of the system at this time, and summarize and analyze the experimental data. The results show that the variable step size disturbance control based on multi-state can quickly identify the abnormal change of maximum power point, respond to the change of external conditions quickly, control accuracy is high, and resist external interference ability is strong, which proves the correctness and effectiveness of the control scheme design.

                      Key words: photovoltaic cell, maximum power point tracking control, mathematical modeling, verification experiment

                    目 錄

                      第一章 緒論

                      1.1 研究的背景與意義

                      依照人類社會目前對化石能源的消耗速度計算,當前煤炭儲量只能維持未來全世界能源 200 年消耗,天然氣只夠維持 80 年,同時煤炭、石油等自然資源的開采難度提高,成本逐年上升。更嚴重的是化石能源在消耗過程中會產生碳化物、硫化物等環境污染物質,進而引起溫室效應、酸雨、糧食減產等一系列全球性或局部性環境污染問題。特別是我國 2000 年以后環境污染問題日益加劇,珠三角地區霧霾天氣數則超過了 1/3,北京上海地區霧霾天氣比例持續在 50%左右,中國大陸內 70%的糧食主產區減產 5%-30%,數十萬人飽受氣管炎等慢性疾病折磨,而在污染嚴重的京津冀地區主要污染物來源分別為煤 34%,機動車 16%,工業 15%,由此可見化石能源在服務人類社會的同時也在不斷產生危害,因此人們將目光聚焦到清潔環保的光伏能、核子能等新型能源。[1-2]

                      太陽能、風能、核能等新能源愈加受到人們的廣泛重視,這類新能源具有清潔環保、儲藏量大等優點,但是又各自在安全性、分布區域等方面受到推廣利用的限制。其中太陽能作為一種清潔環保的可再生能源越來越受到人們的重視,在分布范圍、環境保護、可再生特性、經濟性上與化石能源對比如下表。

                      從上表的對比中可獲知太陽能具有明顯的易獲取、無污染、可再生等優勢。

                      因此,各國政府從政策制度扶持方面,研究者從技術轉化方面,企業從生產制造方面,對太陽能光伏發電給予極高關注和投入。美國 1997 年通過制定"Milion SolarRoofs Initiative"計劃積極推動太陽能進入千家萬戶,并通過減免光伏企業稅收的方式鼓勵企業投入太陽產業發展;德國 2004 年制定實施《可再生能源法案》與相關政策促進了德國太陽能開發利用市場的發展;我國 2000 年時提出了"光明項目",計劃為偏遠居民區、邊防哨所、通信設備提供光伏供電。[3]

                      隨著近年來對光伏發電的研究和投入,光伏發電得到較大程度推廣利用,但是光電轉換效率低下一直是限制太陽能普及利用和提高經濟性的瓶頸。近年德國Fraunhofer 學院太陽能研究實驗室于 454 倍聚光功率下,將光電能轉換的效率達到 41.1%的國際一流水平[4],但是受限于光伏電池的理論認識、技術研究、工藝實現等短期內無法獲得突破進展,實踐工程應用中太陽能模板光電轉換效率最高僅僅為 20%左右,科技工作者紛紛把目光轉向如何實現光伏發電系統的最大功率輸出的課題上。

                      由于光伏電池電氣特性的特殊性,需要對光伏電池采取負載匹配、限壓、限流等多項措施,確保太陽能電池始終在不同溫度和光照等工況條件下,盡可能工作于輸出最大功率狀態,稱此為光伏電池最大功率點跟蹤技術(MPPT)。

                      在交通應用領域,我國的公路里程在 2010 年已經超過 400 萬公里,并以每年至少 5 萬公里的速度增長,與此同時,太陽能照明路燈、太陽能交通信號燈、偏遠地區的隧道通風照明,高速公路應急通信,甚至高速公路電動汽車的充電樁部分開始采用更加節能太陽能光伏供電系統。交通領域采用光伏供電系統優勢顯著,首先交通設施一般地域分布范圍廣,一般采用專用傳輸線路為其供配電,造成一定程度的資源浪費,經濟性差;另一方面部分偏遠地區供配電線路架設困難,維護難度高,而城市地區則本來電力供應緊張,特別是夏季用電高高峰期,采用光伏供電為交通設施供電能夠有效緩解用電緊張。因此采用光伏發電系統為交通燈設備供具有電經濟性好、成本低、節能環保等優點。本文研究背景即為太陽能供電的交通燈設計一個 MPPT 控制器,使交通信號燈光伏供電系統于不同工況條件下均能獲得最大輸出功率,保證系統的最大輸出效率。[5]

                      1.2 國內外光伏發電控制器研究現狀

                      在光伏發電的控制技術領域,國內研究者主要從兩方面對光伏發電控制器展開研究,一方面集中在專用 MPPT 控制芯片的研究,另一方面集中在控制算法上的研究。眾多國內外知名 IC 芯片廠商、研究機構相繼推出了光伏發電控制芯片,或提出諸多控制算法,極大地促進了光伏發電技術的進步。

                      1.2.1 國外研究現狀

                      國外諸多知名 IC 芯片公司積極參基于 MPPT 控制的芯片研發設計,特別是對內嵌 MPPT 功能的專用集成芯片的研究。MPT612 即為 NXP 公司推出的專門針對光伏發電應用的低功耗集成電路,可實現其輸出電壓電流檢測,內置 MPPT 專利保護算法,可根據檢測到的電壓電流進行 PWM 脈沖自動調整,同時可根據客戶需要定制蓄電池充電控制和保護模塊,僅需要擴展數個分立元件即可實現MPPT 跟蹤控制。美國 NS 公司近年研發出兩款靈活方便的可編程 MPPT 控制器,即為 SM72441 和 SM72442,同時集成了電壓電流故障診斷,添加了外設擴展接口,靈活性強,應用方便[6]. 在 MPPT 控制算法的理論研究方面,國外研究者起步早且成果頗多,國外研究者相繼提出了諸如擾動法、恒壓法、開路電壓法等,這些方法在工程中應用較多。近年來隨著計算機技術的發展,提出了控制精度高且算法復雜度高的滑模變構算法、Artificial Neural Networks、遺傳算法等現代智能仿生算法[7-8].BogdanM.Wilamowski 等人研究了基于模糊系統的 MPPT 控制法,通過驗證,取得了較好的控制效果。[9]Mummadi Veerachary 等人研究了基于神經網絡與模糊控制相結合的 MPPT 控制方法,通過仿真實驗證明能夠較快地尋找到光伏電池最大功率點,并在最大功率點處穩定工作,獲得了良好的控制效果[10].此類智能算法在模型仿真中精度較高,但是在實踐應用中存在算法復雜實現困難,硬件處理芯片無法滿足計算要求等缺點,因此多處于實驗室的理論研究階段,未能在實踐工程應用中獲得推廣應用。[11]

                      1.2.2 國內研究現狀

                      國內關于 MPPT 技術的研究,由于受制于整體高端芯片設計制造的發展不足,鮮有公司推出帶有 MPPT 控制算法的集成芯片。上海如韻電子推出的專門針對光伏供電系統的 CN38 鋰電池管理芯片,內置 MPPT 算法,但是主要功能側重于對鋰電池的不同充電階段進行控制管理和保護。另一方面相對于集成芯片設計技術門檻高且投入大的研發方式,國內采用分離功率元件與通用 MCU 控制芯片相結合的低成本方式設計的 MPPT 控制器應用較為廣泛。此方式對算法要求靈活性高,可根據應用范圍場合,性能指標要求,靈活調整軟件算法設計以及硬件設計。武漢萬鵬科技有限公司推出的 SL1024 系列的專門針對太陽能路燈設計的 MPPT 控制器,集成了 MPPT 控制算法,鋰電池充放電控制算法。深圳市愛龐德電子有限公司近年也推出了 SMART 系列太陽能鋰電池充點電控制器,內置 DSP 算法處理芯片為 TI 公司的 2803 芯片,具有實時性好、精度高、適應性強的優點。同時國內部分大學相繼建立太陽能 MPPT 控制器實驗平臺,2003 年清華大學使用一級MPPT 算法設計了太陽能照明控制器,該控制器能夠實現工作狀態的穩定切換和蓄電池電量的智能管理,獲得較好的控制效果。2005 年中山大學太陽能研究所設計出一種太陽能路燈控制器,具有對蓄電池充電過程監控,過充電保護和 LED 亮度調節功能。[12]

                      國內研究者對 MPPT 算法研究也取得了一些進展,鄭州大學的朱煒鋒提出了一種滯環比較法實現 MPPT 控制功能,與一般爬山法對比,優化后的算法可以快速識別最大功率點的變化,抗干擾能力強,能夠有效避免在最大功率點左右,由于外界條件干擾引起整個系統震蕩的功率損耗。[13]山東大學的王松設計一種基于神經網絡的 MPPT 算法,實現最大功率點識別與判斷,結合負載非線性的特殊性設計一種有源濾波器,有效調整和優化了輸出電能的功率因數。[14]中南大學董密等人提出了光伏系統的零均值電導增量的 MPPT 控制,該方法不依賴于系統的數學模型,魯棒性強,能夠有效抑制目標功率點附近的波動。[15]

                      總體而言,國內在 MPPT 技術研究領域,無論在實現技術或是算法研究上都正在努力趕超國際水平,隨著國家從體制層面的扶持,人們對光伏這種新清潔能源的重視,越來越多的科技公司和研究機構都將目光轉移到光伏產業上,勢必更加促進我國光伏產業的發展,使得我國在光伏研究與推廣領域都能具有世界領先水平。

                      1.3 論文的研究重點和結構安排

                      1.3.1 研究重點和創新點

                      本文的研究重點在以下三個方面。

                      1. 對光伏電池 MPPT 技術的常用恒壓控制、干擾觀察法、電導增量法等控制方法分析與比較優劣,針對本課題的控制系統性能要求對算法進行優化改進,提出一種適合于本系統的控制算法并進行建模仿真,檢驗控制算法的有效性和可行性。

                      2. 對光伏電池控制器的常用的 Boost 和 Buck 等 DC/DC 電路拓撲結構進行對比分析,根據交通燈等設備的適用場合和性能需求,選擇最為適合本控制系統的拓撲結構,并根據本控制系統的性能指標需求,設計隔離驅動電路,電壓電流采樣電路,安全監控電路,設計相關硬件電路參數,為 MPPT 控制實現提供硬件基礎。

                      3. 在 ARM 開發平臺下,根據控制算法編制程序代碼,并進行程序編譯、燒寫、調試、修改等工作,確保光伏控制器的控制精度符合要求,安全穩定工作。

                      本文的創新點集中在以下兩個方面:

                      1. 本文中需要根據在分析比較了傳統擾動法的基礎上,根據光伏電池功率變化的特點分析重新設計了一種多狀態變步長的擾動控制法,該控制方法能夠根據光伏電池的過去功率、電壓、步長變化等狀態量,并對當前所處狀態進行分析識別,動態調節步長變化,進而達到動態追蹤最大功率點的目的。

                      2. 本文涉及的光伏最大功率點控制器是針對交通燈供電設計,工作環境惡劣,具有一定的特殊性,為提高光伏電池的工作穩定性,本文中在電路結構中設計了帶有自恢復功能的過流保護電路,系統輔助電源監控電路,同時在主電路中設計了啟動電流限制電阻,防止雷擊的突波吸收器,增強了系統工作的無人值守和抵御外界干擾的能力。

                      1.3.2 結構安排

                      本文共分第一章緒論,第二章最大功率點追蹤控制策略的實驗探究與優化,第三章 MPPT 控制器電路設計,第四章軟件控制程序設計,第五章系統調試和結果分析,第六章結論和展望等七個主要章節。

                      第一章:主要闡述本文研究的背景和意義,說明當前國內外在 MPPT 控制技術研究的重點熱點問題,列舉了一些當前該領域技術前沿的進展,當前在工程實踐中主要應用的技術手段,對該課題前期著手點和后期的研究努力方向提供了一些借鑒和指導。

                      第二章:研究了光伏電池的原理與等效電路模型,并在 matlab 中建立仿真模型,對其輸出特性進行研究;對當前的光伏電池功率變換領域常用的 Boost 和 Buck兩種最基本的拓撲結構在器件應力、效率等指標上進行了對比分析;根據對常用控制算法的研究提出了一種新的 MPPT 控制算法,建立了優化后的追蹤算法的matlab/simulink 模型,進行仿真、對比、優化后,為 MPPT 控制器的設計提供理論支撐。

                      第三章:對 MPPT 控制器的實現阻抗變換的主電路進行設計分析,確定了設計原則,綜合考慮了防雷過電壓設計,過電流保護等安全防護措施,根據性能參數需求設計了各個元器件的開關應力參數;根據本課題的需求設計了滿足控制要求的控制電路、隔離驅動電路,電壓電流采集電路,電壓保護電路,系統輔助電源監控電路,確保系統安全穩定可靠工作。

                      第四章:根據前述算法分析優化,在 ARM 平臺下編制對應的程序代碼,包括主程序代碼,AD 轉換代碼,PWM 生成代碼,確保程序穩定性的看門狗設計,繪制出程序的流程圖,列舉了程序設計過程中的注意事項和部分程序漏洞的修復。

                      第五章:根據以上設計,將整個系統進行聯合調試,根據調試結果進行相應的軟件和硬件優化調整,觀察和分析測試結果,核查各項性能指標是否滿足設計需求;對實驗結果進行分析說明。

                      第六章:總結全文的工作,闡明本課題下一步的研究工作方向,為以后的研究指明了目標和方向。

                      1.4 本章小結

                      本章闡述了本文的研究背景和意義,回顧了太陽能光伏發電系統的 MPPT 技術的國內外發展現狀,對本文的結構安排進行了說明,特別是點明本文研究重點和創新點。






                      第二章 最大功率點的跟蹤控制策略
                      2.1 等效電路模型與輸出特性
                      2.1.1 光伏電池原理
                      2.1.2 光伏電池等效電路模型
                      2.1.3 光伏電池的 matlab 模型建立
                      2.2 常用 MPPT 控制算法的分析
                      2.3 負載變換拓撲分析比較和選擇
                      2.4 多狀態擾動 MPPT 控制算法
                      2.3.1 多狀態變步長擾動法的理論基礎
                      2.3.2 多狀態變步長擾動法的控制原理
                      2.3.3 Boost 功率拓撲傳輸特性分析與建模
                      2.3.4 多狀態變步長擾動控制算法建模
                      2.3.5 仿真實驗結果分析
                      2.5 本章小結

                      第三章 MPPT 控制器電路設計
                      3.1 太陽能交通燈的 MPPT 控制器整體方案
                      3.2 主電路設計
                      3.3 控制與驅動隔離電路
                      3.4 監控保護模塊
                      3.4.1 自恢復保護模塊
                      3.4.2 系統輔助電源監控電路
                      3.4.3 主電路欠壓保護
                      3.5 數據采集電路模塊
                      3.5.1 電壓參數采集模塊
                      3.5.2 電流參數采集模塊
                      3.6 本章小結

                      第四章 程序軟件設計與調試
                      4.1 開發平臺的搭建說明
                      4.2 程序控制策略流程
                      4.2.1 MCU 系統初始化
                      4.2.2 AD 轉換
                      4.2.3 PWM 控制脈沖生成
                      4.2.4 軟件看門狗設計
                      4.3 控制器調試
                      4.3.1 通電前檢查和通電測試
                      4.3.2 系統關鍵參數測試結果分析
                      4.4 本章小結

                      第五章 系統測試和結果分析
                      5.1 系統聯合測試
                      5.2 實驗結果數據分析

                      第六章 結論與展望

                      6.1 結論

                      隨著人們對新能源特別是太陽能的開發和普及,太陽能光伏發電將會在交通領域獲得更加廣泛和深入的應用,本課題根據需要設計了一種為交通信號燈供電的太陽能光伏電池 MPPT 控制器,該控制器能夠實現光伏電池隨外部條件下跟蹤其最大功率點變化,從而實現光伏發電系統效率的提高,為此本課題研究了 MPPT技術的控制算法策略和控制電路設計實現,現將本文中所做的工作和成果總結如下:

                     。1)首先根據前期文獻調查研究和實驗的基礎上,研究了光伏電池的工作原理,在 matlab 中建立對應等效電路模型實驗,研究了其對外輸出功率特性,為下一步對光伏電池的研究奠定基礎性理論支撐。

                     。2)在前階段研究基礎上,對當前傳統的光伏電池的 MPPT 控制策略進行比較分析,并從軟件算法和功率變換拓撲結構兩方面進行比較分析,在選取最優的電路拓撲后對控制算法進行優化,提出一種基于多狀態擾動法的控制算法,并在matlab/Simulink 中進行仿真實驗,確認了本文提出控制算法的正確性、優越性。

                     。3)在選定功率變換拓撲結構的基礎上,本課題在 Altium Designer 中設計了控制器的硬件主電路,包括 MCU 控制器的選擇與介紹,同時設計了驅動隔離電路確保開關管的可靠導通和關斷,設計了帶有延時自恢復功能的電流保護電路,設計了電壓采集電路,電流采集電路,系統電源監控電路,以上設計確保了控制器能夠穩定可靠工作,最后進行了 PCBlayout 設計。

                     。4)在 ARM 平臺控制器的基礎上,在 KEIL 軟件開發環境中進行了軟件 C 代碼編寫,尤其是選定的 MPPT 控制算法的實現,是本文工作的重點和難點,此外還包括了設計 DA 轉換模塊,PWM 生成模塊,以及為確保系統工作穩定性的軟件看門狗設計,便于調試的顯示模塊程序。

                     。5)最后對設計的控制器進行各個模塊的焊接、組裝、調試,以及模擬測試實驗,并對實驗結果采集部分關鍵數據進行了分析,驗證了本文設計方案的合理性、有效性、可行性。

                      因此,本文較為圓滿的完成了設計任務,完成了光伏電池 MPPT 控制器控制策略和硬件電路的驗證、設計、測試等工作。

                      6.2 展望

                      由于本課題在完成過程中,時間有限、知識水平限制等原因,還存在諸多不足,特別是系統優化方面仍有較多工作需要完成,未來可以在以下方面進行更深層次的探索和研究:

                      1. 經過測試硬件電路中損耗較大,可以從優化電路設計參數、選用更為合理的IC 芯片、優化 PCB 布局布線設計等幾個方面進行優化設計。

                      2. 探索使用 CPLD/FPGA 等處理運算速度等快的處理技術,運算速度的增加帶來的直接結果便是 MPPT 控制器的動態響應能力提高,跟蹤能力顯著增強,從而實現光伏供電系統效率的提高。

                      3. 探索使用無線通信技術與局域網實現的可能,特別是物聯網技術日益普及,zigbee、BLE 等技術的成熟為太陽能交通燈的無線監控管理提供了技術保障。相信未來通過科技人員的努力,能夠實現遠程對交通信號燈進行監控管理,緊急情況下的遠程調度等。

                    致謝

                      三年的研究生生活即將結束,當初抱著迷茫心態讀研的我,經過這三年在殷時蓉老師和劉潮濤老師的教導下,已經找到自己未來努力的方向,無論在學術還是未來職業選擇上都比本科畢業時有更加提升和明確。這要歸功于帶領自己進入電子工程領域的二位老師,并現在仍然指引著我在這條道路上走的更加堅定更遠。

                      本論文的完成是對自己三年研究生學習的一次考核,在此過程中殷老師和劉老師給出了方向并提供了平臺供我施展發揮。除了感激,最想做的事情便是做好自己的課題論文,并在未來的電子行業工作中,有所成就,有所貢獻。

                      另外,本文的完成還得到了各位同門師兄弟幫助,于彪、蔣琪、唐翠等一眾師弟師妹協助完成了本文的實驗測試、數據收集整理工作,文中翔實直觀有效的數據展示離不開他們的幫助和辛勤工作,在此以并表示感謝。

                      感謝評閱老師、專家的評閱點評,你們的寶貴意見是我成長進步的基石。
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