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【仿真赛】基于ANSYS建模仿真的单相光伏并网发电系统

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liweicheng
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  • 2012-12-21 16:31:35
面对日益匮乏的能源环境,太阳能作为一种清洁、再生能源,它的应用价值日益彰显。单相光伏并网发电系统具有许多的优点,如果能提高技术和工艺,提高转换效率,使其成为家庭普及的太阳能利用方式,意义重大。 本文对单相光伏发电系统的效率问题展开了研究,单相光伏并网发电系统的效率取决于系统组成的各个环节。为了提高光伏发电系统的光电转换效率,将目前常用的光伏阵列MPPT技术的优缺点进行了比较研究,引入了模糊逻辑控制理论,根据光伏电池特有的输出特性,对传统对称结构的隶属度函数进行了改进,采用了非对称性结构,确立了改进型的基于扰动法的模糊MPPT控制。同时对目前广泛采用的两级式并网逆变器进行研究,通过分析常用逆变器前级DC/DC环节电路的工作原理,计算不同电路拓扑的损耗并进行仿真验证,确定前级选取Boost电路。并对逆变器后级DC/ AC环节逆变电路的工作原理和电路拓扑结构的优缺点进行了比较,确定了后级选取全桥逆变电路。
将改进后的基于扰动法的模糊MPPT控制应用于光伏并网逆变器前级DC/DC环节。通过对改进前后基于扰动法的模糊MPPT控制的光伏并网逆变器Matlab仿真结果的分析比较,验证了改进型的模糊MPPT控制在外在环境条件变化时的有效性。
首先了解下光伏发电的基本常识,然后看看那MATLAB的仿真情况,最后在用ANSYS进行仿真:
光伏发电并网系统的一般组成




给出了光伏并网发电系统的结构,系统一般由光伏阵列、变流器、控制器和负载电网组成。大小不同的光伏阵列由许多的太阳能电池模块组成,太阳能电池将光能转换为电能,但输出的电能不能直接并入电网,必须借助电力电子设备转换,满足工频电网的要求,才能并网供广大用户使用。控制器控制电力电子设备转换和一些其它的设备,它的主要功能有MPPT控制,并网波形控制和孤岛效应预防。
按照光伏并网发电系统是否包含储能环节,系统又可分为不可调度式和可调度式两种。储能环节可以为光伏阵列提供能量补充,减少光伏阵列因光照强度变化对系统运行的影响,提高系统工作的可靠性,必要时可以作为不间断电源,对重要负荷提供稳定电能。
太阳能电池工作原理图


光伏电池相当于带负载电阻的PN结,其空间电荷区在没有外部电压施加的情况下,光伏电池内部的带电粒子仍然能形成电场。当受到太阳光照射,这些粒子形成电子空穴对,在电场力的作用下发生定向移动,形成电流[sub][/sub]。因为PN结电流偏置方向与电流[sub][/sub]方向相同。光伏电池带负载电阻经[sub][/sub]流过势必在负载两端存在压降,而压降又导致PN结上有一个正向电流,[sub][/sub]电流与电流方向相反,人为规定两者之差大者为正值,因此总电流为,方向与[sub][/sub]方向相同。由于入射光子的作用,使带电粒子在电场力作用下移动形成电流[sup][18][/sup],在太阳能电池中就完成了将太阳能转换为电能的过程
由光伏电池的输出特性,工程上模拟其工作原理建立等效电路模型:
光照时光伏电池等效电路图





在上图, [sub][/sub]光生电流,表示太阳能电池经由太阳光照射后所产生的电流,电池的面积、入射光的辐射强度和环境温度对 输出会产生影响,基本是成正比的关系。一般来说, 1cm[sup]2[/sup]的晶硅太阳能电池的[sub][/sub]的值约为20mA大小 为暗电流,即表示没有太阳光照射的情况下,PN结内带电粒子受内部电场力产生的电流,因而可用一个普通二极管来表示光伏电池的特性。电池内部等效并联和串联电阻可用 分别表示。太阳能电池的体电阻,接触电阻,金属导体电阻等构成了其串联电阻 ,通常小于1Q。由于太阳能电池暴露在外部环境中,很容易粘上灰尘,并且大多晶硅电池采用的晶体材料都达不到百分之百的纯净,造成了PN结泄漏现象,这些因素使得电池形成了电阻 ,其电阻值非常大,达数千欧姆。太阳能电池总的电阻由 构成,当与外电路负载连接时,构成了内部电阻。人们工程计算光伏电池的总电阻时,由于 自身在整个光伏电池组成电路的特点,可用一个二极管替代。光伏电池形成的是直流电流,一般情况下不含有交流分量,因此,对于PN结形成的结电容和其他分布电容的影响不予考虑。电池的外部负载电阻 表示,电池的外部负载电流用 表示。电池的开路电压用 表示,即当电池在100mW/cm2强度的太阳光照射下,电池两端开路时所测得的输出电压。

根据太阳能光伏电池的等效电路模型,我们可以建立下式所表示电池的输出电流与输出电压的数学关系:

















由上式可以得到太阳能光伏电池的电流与电压间的关系曲线,简称伏安特性曲线。下图中,曲线1太阳能电池没有受到太阳光辐射的特性曲线,曲线2是太阳能电池接受光照后的特性曲线。对于某个恒定的太阳辐射强度值,沿着横轴方向,曲线向下移动,便可得到太阳电池的输出伏安特性曲线的轨迹。也就是说,晶硅太阳能电池的短路电流和光生电流均与太阳辐射强度成正比,因此可用测量标准太阳能电池短路电流的简便方法,来确定某一个晶硅太阳能电池工作时的随太阳光照条件变化时的特性曲线。

光伏电池电流-电压曲线



想条件下太阳能电池的等效电路图可表示为:



fudeyi
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  • 2012-12-21 16:48:20
 
楼主这是普及光伏逆变知识类啊。
liweicheng
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  • 2012-12-21 16:53:18
 
基本常识还是要知道的额
liweicheng
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副总工程师
  • 2012-12-21 17:15:00
 
光伏电池仿真模型
太阳能电池光照强度参考值取 ,环境温度参考值取 ,太阳能电池参数一般从太阳能电池生产厂商获得,具体模拟参数仿真参数见下表:

标准测试状况下电池的参数选取




通过Matlab/Simulink中的模块,建立仿真模型如图:




太阳能电池特性的仿真结果如图

光伏电池特性曲线:

电压/电流特性曲线




电压/功率特性曲线







单相光伏并网逆变器拓扑结构分析



单相光伏并网逆变器多应用于小功率光伏发电系统,如单独住户的家庭,装机容量一般1kW~5kW。单相光伏并网逆变器按系统主电路结构通常分为单级式和两级式两种
单级式并网逆变器将光伏阵列输出的直流电压通过逆变器的HDC/AC环节逆变处理后接入电网,其结构如图所示。单级式并网逆变器的逆变环节直接连接光伏阵列和电网,因而它需同时实现MPPT、并网、逆变器自我保护等多重控制。这种电路具有结构简单,元器件使用少,效率高等诸多优点,如果能研制出合理的控制策略满足电网、系统本身性能的要求,单极式并网逆变器结构将是最佳选择。


光伏并网系统结构
单级式光伏并网逆变器系统结构

两级式光伏并网逆变器系统结构


与单级式并网逆变器不同,两级式并网逆变器并非直接把光伏阵列输出电压直接送H桥逆变,而是在逆变的前级先经DC/DC环节变压,再通过DC/AC环节逆变实现并网。其结构如上图所示。第一级是一个升压电路,主要实现对光伏阵列的MPPT控制和光伏阵列输出电压的升压和隔离;第二级是高频逆变器,完成将直流逆变为负载和电网要求的交流电的功能。MPPT控制、并网和逆变器自身保护等多重控制分开单独控制,大大简化了控制算法,由于前级将电压升高到了一个稳定的小范围,也使得并网控制变得更加容易,提高了并网逆变器功率输出的稳定性。
电网相电压有效值为220V,为了实现单相光伏发电并网,逆变器输出电压幅值也必须稳定在220V。考虑到滤波电感上的压降,一般光伏阵列的电压输出为400V左右。目前,市场上一块光伏电池正常工作电压(最大工作效率下的电压)17.5V。单级式并网逆变器结构为了保证输出电压在400V左右,输出功率为一个整数值,使得光伏电池的数量很难配置。而两级式逆变器不存在这个问题,光伏阵列输出电压经DC/DC升压环节后再进入逆变环节,只要光伏阵列输出电压满足高于逆变器的最低输入电压的限制,就可以组成各种级别的功率电路。
在控制方面,单级式并网逆变器在逆变环节需同时实现光伏阵列的MPPT控制和并网控制,使得单级式并网逆变器的控制策略很复杂,实现较为困难。而双级式并网逆变器的前级DC/DC环节实现MPPT控制,后级DC/AC环节进行并网控制,两部分的控制是分开独立的。由于两级式控制技术比较成熟,理论成果丰富,这种结构在小功率的单相光伏发电并网系统应用十分广泛。本文对单相光伏并网发电系统的研究正是基于两级式并网逆变器的主电路拓扑结构。
DC/DC环节拓扑分析
Boost变换器拓扑图



Boost变换器电路工作过程


Boost变换器的输出表达式为:


其中,功率管通断周期记为 ,功率管通断周期中的关断时间记为 ,功率管 的占空比记为


系统要求如下:输入电压为 Uin=120V,输出电压Uout=350V,输出功率Pout=1000W,开关频率Fc=100kHz,纯电阻负载Rl=100,经计算可得Il=13AD=0.66
主功率开关管选用InfineonIPB60R099CPpower MOSFET,它的主要参数如下:

升压二极管选用InfineonIDH02SG120SiC肖特基二极管,其主要参数如下:


Boost变换电路功率损耗的PSIM仿真如图:









liweicheng
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  • 2012-12-22 16:21:05
 
基于ANSYS仿真的Boost参数设置:


BOOST的原理图以及波形图:

上图仿真波形放大的情况如下:
liweicheng
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  • 2012-12-21 18:15:32
 
Buck-Boost变换器又称为降压升压变换器,该电路相当于在Buck电路后面直接串联Boost电路。其电路拓扑如图所示,主要由光伏阵列、功率开关管、电感器、电容器、二极管及负载组成。
Buck-Boost变换器拓扑图

Buck-Boost变换器电路工作过程


Buck-Boost变换器输出电压为:





主功率开关管选用InfineonIPB60R099CPpower MOSFET,它的主要参数:




升压二极管选用InfineonIDH02SG120SiC肖特基二极管,其主要参数:









Buck-Boost变换电路功率损耗的PSIM仿真如图:








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  • 2012-12-22 16:25:28
 
基于ANSYS仿真的Buck-Boost参数设置:

Buck-Boost的原理图以及仿真波形:
上图的仿真波形放大如下:



liweicheng
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  • 2012-12-21 18:39:46
 
全桥变换器拓扑图

主功率管选用InfineonBSC22DN20NS3Gpower MOSFET,主要参数:


整流二极管选用InfineonIDB06S60CSiC肖特基二极管,其主要参数:



全桥变换电路功率损耗仿真图




经过对BoostBuck-Boost和全桥变换器三种常用硬开关DC/DC升压变换电路的分析研究,可以看出转换效率最高的是Boost变换器,Buck-Boost变换器次之,全桥变换器效率最低。在无变压器电路结构中,功率开关管的损耗所占的比重最大,也占很大一部分。因此要提高变换器的整机效率,降低开关管、二极管和变压器的损耗十分重要。其中,Boost变换器和Buck-Boost变换器因为无需变压器,则可以减少变压器部分的损耗。而功率开关管的损耗主要是自身的开关损耗,因此只要使开关管工作在特殊开关状态,就可以大大减少变换器的总体损耗,提高整体的转换效率。二极管可以在符合参数要求的前提下,选择反向恢复电荷较小的元器件。对于光伏发电系统来说,变换效率提高以后,输出的功率更大,相当于光伏发电系统输出功率等级降低了,有效降低了整个光伏发电系统的成本。因此,并网逆变器的前级电路,选择Boost电路作为两级式逆变器的前级电路。
liweicheng
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  • 2012-12-22 16:46:55
 
基于ANSYS仿真的全桥变换器的参数设置:

注意:全桥变换器的DUTY CYCLE最大达到0.5
一次侧仿真波形如下:



上图仿真波形放大如下:



二次侧仿真波形如下:



上图仿真波形放大如下:

fudeyi
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  • 2012-12-24 09:07:59
 
直接可以在对话框设置全桥变换器的参数,这个貌似有点方便。
liweicheng
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  • 2012-12-24 18:25:49
 
仿真就该如此那,时间短效率高,没必要花太多的时间,多余的时间可以用在实践上!
xf880604baoji
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  • 2012-12-24 21:56:53
 
ansys这么强大?
这是哪个软件?
liweicheng
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  • 2012-12-26 12:43:58
 
请看这个帖子https://bbs.21dianyuan.com/144035.html,里面有详细讲解
liweicheng
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  • 2012-12-21 18:47:01
 
DC/AC环节拓扑分析
全桥逆变电路 全桥逆变电路主要由直流侧电容、两个并联的桥臂和滤波电路组成。其电路拓扑如图:
单相全桥逆变电路拓扑

在图中,Cdc是直流侧的支撑电容,它的作用不但连接了DC/DC变换器和DC/AC逆变器,而且还实现了功率的传递。VT1~VT4是主功率开关管,VD1~VD4为反并联二极管。通过适当的PWM控制四个功率开关管通断,再通过滤波电路滤除高次谐波,使逆变器输出电压与电力网络网具有相同同频率和相位,使逆变器输出功率因数达到1
liweicheng
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  • 2012-12-21 18:49:27
 
半桥逆变电路
单相半桥逆变电路拓扑


当开关元件VT1导通时,电容C1上的能量就通过滤波电路释放到电力网络,当VT2导通时,电容C2上的能量通过滤波电路释放电能到电力网络,在VT1VT2的交替导通时,就将交流电能传递给了交流电网。半桥逆变电路在功率开关器件截止时会承受直流电源电压Udc,又由于电容C1C2两端电压等值,均为Udc/2,因此,开关功率元件将承受的电流为2Id
两个半桥逆变电路就组合可以构成一个全桥逆变电路,这种电路在大功率的单相、三相逆变电路中最为常见。对于输入相等的直流电压的两种逆变电路,半桥电路的输出电压值仅为全桥电路的一半,那么要是两种电路输出功率一样,必须使半桥电路的输出电流值为全桥电路的两倍,这就对半桥电路的功率器件提出了更高的要求。并且比起全桥电路,并网控制策略的实现也较复杂。因此,确立了全桥逆变电路为逆变器的后级拓扑电路。
liweicheng
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  • 2012-12-21 19:05:21
 
并网控制策略
光伏并网发电系统和电网相连接,相当于一个容量无限大的AC电压源。当对并网逆变器采用电压控制,就相当于光伏发电系统与电网两个电压源并联为负载提供电能,此时如果光伏发电系统电压处理不好,可能出现电网电压向光伏发电系统的倒灌。锁相环技术出现,大大的改进了这个问题的处理,保证了逆变器的输出电压与电网电压的相位完全同步。当并网逆变器输出控制采用电流控制,则只需控制逆变器的输出电流即可,使逆变器的输出电流与电网电压同频率同相位,这样就实现了与电网的并网运行。由于电流控制方法易于实现,控制效果好,稳定可靠,因而广泛的用于了实际项目中。

光伏并网系统原理图

并网系统工作矢量图


对于一个控制量为输出电流 的并网逆变器,可以用上图表示一个光伏并网系统的电路拓扑。 表示逆变器输出的交流电压,L为光伏并网系统与电力网络之间的电感, 表示电力网络的交流电压。电感L作为非线性元件,使得 电压 相位不一致,存在相角差值。为了满足电力网路对电能质量的要求而实现并网,当逆变器的输出电压超前于电力网络的电压一个角度 时,才可能使电力网络电压与逆变器的输出电流相位一致,从而实现逆变器的输出电流与电网电压同频率同相位
DYWEN
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  • 2012-12-25 16:10:04
 
看不懂看来还要慢慢下了来看,
liweicheng
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  • 2012-12-21 19:07:28
 
针对两级式并网逆变器前级DC/DC环节和后级DC/AC环节进行研究。结论如下:
(1)在中小功率光伏并网逆变器中,选择两级式并网逆变器结构,前级DC/DC环节实现光伏阵列最大功率跟踪,后级DC/AC环节实现并网控制,两者独立分开,使得单相光伏并网发电系统的控制方式更加简单可靠。
(2)通过相同条件下光伏并网逆变器前级升压环节不同电路拓扑的损耗计算和仿真验证,采用Boost变换器的升压电路最为合适。
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  • 2012-12-26 10:58:36
 
学习最重要
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  • 2013-1-3 00:10:32
 


CALCULATIONS/ANALYSIS MODE 仍然显示是灰色,显然Maxwell 15.0没有装成功,无法把建模数据导入这里进行3D仿真了,下一步进行大家可以参考
新年第一帖,PExprt和Simplorer联合仿真 https://bbs.21dianyuan.com/145103.html#buttom
Ansoft Maxwell 从零开始~~ https://bbs.21dianyuan.com/143742.html#buttom
这里Maxwell仿真做的很好,可以借鉴下!


kuang250649298
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  • 2012-12-22 10:52:19
 
控制器控制电力电子设备转换和一些其它的设备,它的主要功能有MPPT控制,并网波形控制和孤岛效应预防。
小小电工
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  • 2012-12-22 12:11:18
 
好乏味...看得
liweicheng
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  • 2012-12-22 14:33:24
 
等一会就有ANSYS仿真了,还在探索中
fudeyi
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  • 2012-12-25 12:11:05
 
楼主,加油!
liweicheng
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  • 2012-12-26 10:44:11
 
你也不批评指导,我怎么加油呐
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  • 2012-12-28 17:17:29
 
看不懂吧
kuang250649298
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  • 2012-12-28 17:45:35
 
是有点蒙了,看来以后得向你多学习学习啊
xf880604baoji
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  • 2012-12-28 21:24:35
 
真不知道ANSYS还有这仿真功能
DYWEN
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  • 2012-12-29 17:06:59
 
一起学习
liweicheng
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  • 2012-12-30 23:20:50
 
你指导下
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  • 2012-12-31 14:00:22
 
都是刚上手的吧,各位达人
liweicheng
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  • 2012-12-31 17:27:11
 
多简单的事情么
shaoyu_zhang
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  • 2012-12-31 21:38:42
 
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  • 2013-1-1 19:37:11
 
kuang250649298
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  • 2013-1-4 09:19:15
 
光伏并网系统结构
单级式光伏并网逆变器系统结构

两级式光伏并网逆变器系统结构

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整流逆变么
kuang250649298
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  • 2013-1-5 15:46:17
  • 倒数10
 
是的,前些日子,我还用铅笔画了几张图,给果符号给画错了,还被同事足足给笑话了两天
liweicheng
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副总工程师
  • 2013-1-6 00:13:49
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你大学是学习什么的,总该有些电路基础吧
liweicheng
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副总工程师
  • 2013-1-6 00:28:29
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总结:
saber对于开关电源的仿真来说,做的是比较好的软件,里面的大部分器件的模型都很准确,是基于物理结构来搭建每一个模型的,在这方面,比matlab要稍强些;
而至于matlab,其仿真功能也异常强大,其覆盖的范围比saber广很多,也正是由于范围广,其关于电子器件的建模在某些方面,没有saber做得好,但是其对于仿真大型系统来说,是比较方便的,可以与下位机链接调试,其代码可以自动生成,且是C语言格式的,方便编程开发者读懂程序,还有强大的状态流设计功能,更能加快设计流程

ANSYS主要集中于磁性元件的建模和分析,对于磁性元件(像电感和变压器的模型,要优于saber和matlab,其可以对磁性元件的各种场进行分析,便于设计者对于各种磁场的走向有直观的理解,这方面,saber和matlab做不到,而开关电源中重要的器件莫过于就是感性元件了,感性元件的模型越准确,其仿真度越高,更利于产品的开发。且操作界面很友善,像变压器的参数,在一个窗口即可设置完全,很是方便。这方面,saber和matlab还需加强!
DYWEN
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高级工程师
  • 2013-1-6 11:00:06
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什么意思啊你
kuang250649298
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本网技师
  • 2013-1-6 14:22:40
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学是学了,出来几年,忘得也差不多了,不是说了要向你学习的么 再说了出来后的工作跟所学的专业也不对口呀
liweicheng
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副总工程师
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kuang250649298
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本网技师
  • 2013-1-7 21:38:16
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建议楼主今后多多发表些文章,好让我们多学习学习 挺你
liweicheng
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副总工程师
  • 2013-1-8 09:45:34
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就当业余爱好了
kuang250649298
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本网技师
  • 2013-1-8 13:46:02
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行行出状元嘛
liweicheng
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副总工程师
最新回复
  • 2013-1-8 14:37:56
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那你也可以是状元么
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