用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法.pdf

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用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法1 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法2 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法3 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法4 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法5 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法6 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法7 用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法8

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第4O卷第16期2012年8月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.40No.16Aug.16,2012用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法金宇清,黄桦,鞠平,潘学萍(河海大学能源与电气学院,江苏南京210098)摘要:风的随机性使得风电场内具有相近运行状态的风电机组的空间分布也具有随机性,因此在风电场聚合建模中将涉及任意位置上风电机组的聚合问题。针对辐射形结构的风电场,提出了一套集电网络处理方法。在拓扑及参数已知的情况下,以网络变换前后由电网电压产生的风电机组端口电压不变为原则,可以对集电网络进行并联化变换;而当已知条件不足以进行此项变换时,以风电场聚合前后功率相等为原则,可以对集电网络进行单阻抗等效。经过网络变换后,风电场内各台机组之间将成为纯并联结构,可以适应任意位置上风电机组的聚合。仿真结果表明,该变换方法对基于定速感应发电机和双馈感应发电机的风电场都适用,且得到的聚合模型具有很高的精度关键词:风电场;动态等值;聚合模型;集电网络;辐射形网络;网络变换CollectornetworktransformationmethodsforwindfarmaggregatedmodelingJINYu-qing,HUANGHua,JUPing,PANXue-ping(CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Thespatialdistributionofthewindturbinegeneratorswhichhavethesimilaroperatingstatevarieswiththerandomnessofwind.Therefore,aggregatingthewindturbinegeneratorsinrandompositionsisessentialwhenobtainingtheaggregatedmodelofthewindfarm.Tomeetthisrequirement,asetofnetworktransformationmethodsforthewindfarmswithradialcollectornetworkis“presented.Whenthetopologyandparametersareknown,aparallelconnectionaimedtra’’nsformationCanbeusedbasedontheprinciplethattheterminalvoltagesproducedbygridvoltageofawindturbinegeneratorbeforeandafterthetransformationshouldbe“’’equa1.Otherwise,singleimpedanceequivalenceofthecollectornetworkCanreplacebasedontheprinciplethatthepowerofthewindfarmbeforeandaftertheaggregationshouldbeequa1.Afterthetransformation,theconnectionschemeofwindfarmwillturnintopureparallelstructurewhichiswelladaptedtotheaggregationofwindturbinegenerators.ThesimulationresultsshowthatthetransformationmethodsareapplicableforbothFSIGandDFIGbasedwindfarm.Andtheaggregatedwindfarmmodelobtainedthroughthetransformationhasahighaccuracy.ThisworkissupportedbyNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(No.2011AA05A103)andNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51190102).Keywords:windfarm;dynamicequivalence;aggregatedmodel;collectornetwork;radialnetwork;networktransformation中图分类号:TM614文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2012)16.0034080引言一个风电场通常由几十台甚至上百台风电机组构成,但其总容量仅相当于一台普通的火力发电机。如果风电场用详细模型来描述,那么模型的阶数可能超过一千阶uJ。风电场容量的大小和模型的复杂程度很不匹配,会严重降低电力系统仿真的效率。并且在研究大规模风电对电网的影响时,重点关注基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA05A103);国家自然科学基金重大项目(51190102)的是风电场的整体特性,而不是场内每台机组的具体动态[3-51。因此目前对于大规模风电场倾向于采用聚合等效模型。风电场聚合建模涉及到风电机组的分群、聚合以及集电网络的化简。集电网络是风电场的重要组成部分,在已建成的风电场中,辐射形布局是普遍采用的内部连接方法【6】,其在典型情况下的总成本(投资成本与故障机会成本之和)明显低于其他连接方式[。以往对于集电网络大多采用简化处理的方式。金宇清,等用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法一35.文献f8】对基于定速感应发电机(FSIG)、双馈感应发电机(DFIG)以及直驱同步发电机(DDSG)的风电场聚合建模给出了一系列建议,其中提到由于集电网络阻抗相对于风电场与系统间联络线阻抗来—说非常小而可以将其忽略;文献『914]在其建立的风电场仿真模型中忽略了集电网络;文献【15.17]的仿“”真模型中采用了经过并联形式简化的集电网络,即将各风电机组分别串联一个代表集电网络的阻抗后全部并联到风电场的公共连接点(PCC)。对于集电网络的处理,文献[18】建议在风电场聚合模型中用一个等效阻抗来表示集电网络的功率损耗;文献[19.20】以风电场详细模型和聚合模型的等值阻抗相等为原则求取集电网络等效阻抗,其本质与根据功率损耗求取的方法一致;文献[21]提出根据风电机组输出电流和集电网络参数详细计算网络的功率损耗,以此求取网络的等效阻抗,但是在计算中将同群机组输出电流的幅值相位设为完全相等,而这种简化只有在忽略集电网络的情况下才可能成立。文献[221提出了以PCC电压为基准的加权平均电压差概念,以同群机组在聚合前后加权平均电压差相等为原则计算等效阻抗,但是在计算中使用PCC的电压替代风电机组端口电压来计算机组输出电流,这种简化同样只有在忽略集电网络的情况下才能成立。此外,在风电机组分群准则上目前趋向于将运行状态相似的机组归为一群[8,10,22]。受风速风向随机变化的影响,风电场内运行状态相似的风电机组的空间分布也会随机变化,这使得风电场聚合建模时可能要对任意位置上的机组进行聚合。本文针对辐射形风电场聚合建模的需要,考虑风电场详细参数已知和未知两种情况,提出了集电网络的并联化变换方法和单阻抗等效方法。1集电网络的并联化变换方法对集电网络进行并联化变换的目的是将风电机组之间辐射形的混联结构变为纯并联结构,从而可以适应不同的机组分群方式,实现风电场内任意位置上机组的聚合。该变换的原则是保持变换前后由电网电压产生的风电机组机端电压的幅值和相位不变。当风电机组的参数、集电网络的拓扑及参数均已知时,可根据如下步骤进行并联化变换。该变换从辐射形连接的尾部开始,逐级往前向PCC进行,下面以图1为例介绍具体步骤,图中线路阻抗1~Zf4用于表示集电网络。步骤1:计算风电机组所在支路的稳态等值阻抗(n为机组序号)。FSIG机组支路根据图2所示的等值电路计算;DFIG机组支路的等值电路如图3所示,这里只考虑由电网电压产生的机组端口电压,因此在计算等值阻抗时忽略DFIG转子侧的等效电压源。需要注意的是,计算z1时线路阻抗】需要合并到Z1中。图1辐射形连接示意图(以FSIG机组为例)Fig.1Exampleoftheradialarrangement(takingFSIGunitforexample)图2FSIG等值电路图(含无功补偿电容和升压变压器)Fig.2EquivalentcircuitofaFSIGwithitscompensating—capacitorandstepuptransformer图3DFIG等值电路图(含升压变压器)Fig.3EquivalentcircuitofaDFIGwimitsstep-uptransformer步骤2:将风电机组间的混联结构变换为纯并联结构。变换方法是将线路阻抗Zti(i2)分解成i…个(=1,,)串联到原来与相连的i个风电机组支路中。图4以图1中的zlf2为例给出了变换示意图。≮篆z2z|1|z2图4网络并联化变换示意图Fig.4Exampleofthenetworktransformation如图4所示,在网络变换前风电机组FSIGI和FSIG2所在支路等值阻抗Zl和Z2的端电压为ZZ//Z(1),2+12一“”其中,//表示并联。网络变换后Z。和Z2的端电.36.电力系统保护与控制压分别为.:墨!,:2兰(2)一Z+Zl~Z,2.2+Z2根据前述的网络变换原则,、:应该和,相等,所以由式(1)和式(2)可以求得Zt2,l:箍Zt2,2=箍步骤3:修正已经完成并联化变换的风电机组…所在支路的等值阻抗(,2=1,,),修正值记为z:,按式(4)计算。…z=+gh.,=1,,f(4)步骤4:将修正后的等值阻抗z:代回步骤2,继续下一个线路阻抗f+11的变换。按照上述步骤对图1完成全部网络变换后,各风电机组间就变为如图5所示的纯并联结构。图5辐射形网络经过并联化变换后的结果Fig.5ResultofthecollectornetworktransformationG1从上述步骤中可以看到,该网络变换的依据是风电场的稳态数据,但是动态过程中风电机组的等值阻抗是随着滑差的变化而变化的,因此该网络变换在动态过程中必然会产生一定的误差。下面以图6所示的两台FSIG机组系统为例,对该并联化变换方法在动态过程中的有效性进行定性分析。图6两机组系统的网络变换示意图(以FSIG为例)Fig.6TransformationexampleofatwoFSIGssystem按步骤l所述,设FSIGI和FSIG2所在支路的稳态等值阻抗为z1和Z2。设动态过程中PCC电压为,z1和Z2相应的记为z1D和z2D;图6中网络变换后的2。1和Zf2.2按式(3)计算。不进行网络变换时,动态过程中z1D和Z2D的端电压和为D=02。(ZmIIZ2D)UD(5),1十1n//,n而网络变化后,z1D和Z2D的端电压和。为%e,Deo=Z2oe,(6)如果并联化变换在整个动态过程中都完全精确,则应满足=D、。=02。,将式(3)代入化简后可以得到:孕(7)ZIZ2一“该比值是一个复数,将其命名为动一稳等值阻”“”抗比,以下用表示。在动态过程的各个瞬间,如果风电场内各机组所在支路的越接近,则并联化变换在动态过程中造成的误差就越小。风电机组的稳态滑差由其承受的风速决定,而在动态过程中同型号机组的滑差变化趋势接近。因此,并联化变换造成误差的大小与风电场内风速的均一性成正比,即风电场内风速的差别越小,并联化变换造成的误差越小。但是,对于误差的大小很难做定量分析,只能根据实际应用情况来检验。2集电网络的单阻抗等效方法当风电场的已知条件不足以对集电网络进行并联化变换时,可以对其进行单阻抗等效,从而将风电场的接线方式变为纯并联结构,如图7所示。图中集电网络等效阻抗Ze。的计算思路与文献[181提出的按网络功率损耗计算一致,但在具体计算方法—上比文献[192011 ̄方法更加简单和直接,只依靠功率的量测数据而不依赖其他参数。+jS=P+jQ图7集电网络的单阻抗等效方式Fig.7Singleimpedanceequivalentmethodforcollectornetwork风电场中PCC上的电压、电流、输出功率S=P+jQ是可以测量的。此外,每台风力发电机的输出:+jQ也是可以测量的,则风电场内n台风力发电机的总输出功率也可知,其与PCC上输出功率的差值即为内部集电网络的损耗。因此,等效阻抗Ze。可以按式(8)计算。金宇清,等用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法-37-∑—Ze。:(Sis)/u.1)(8)i=1“其中,号表示共轭。经过变换后,风电场内的所有风电机组均并联到图7所示的虚拟母线上,然后可以根据机组分群结果进行相应的聚合。对于单阻抗等效的有效性,从理论上讲该方法不会有稳态误差;但在动态过程中集电网络的功率损耗并不是定值,这必然会带来一定的误差。但是该误差同样难以做定量分析,因此在实际应用中需要验证该方法的动态精度。3仿真验证3.1仿真系统介绍将上述网络变换方法分别在基于FSIG和DFIG的风电场中进行验证,仿真在Matlab201la的SimPowerSystems环境中进行。以基于FSIG的风电场为例,仿真系统如图8所示。而基于DFIG的仿真系统,除机端不装设无功补偿电容外,其他接线方式与FSIG仿真系统相同。风电场内设置4行4列共l6台机组,所有机组接入25kV的集电网络;风电场通过2条50km的110kV线路与系统相连。风电场的风向如图8所示,考虑尾流效应时每行风电机组经受的风速会依次减小,表1给出了风电场内的风速,其中以每行0.5m的风速递减模拟了尾流效应,较大的风速差异可以用来检验并联化变换在动态过程中的有效性。此外,对该仿真系统没有采用复杂的运行状态相似判据,仅以风速相近“”为分群原则,因此机组应按行进行聚合,最终得到类似图5的4机等效模型。TTTT列1列2列3列4图8基于FSIG风电场的仿真系统Fig.8FSIGbasedsimulationsystem表2给出了仿真系统的详细设置及元件在Sim“PowerSystems环境中的取用位置,除了表中指定”参数栏外,其余参数一律取默认值。表1风电场内部风速Table1WindspeedinFSIGandDFIGwindfarm风电机组所在行1234风速/FSIG风电场8.58.07.57.0(m/s)DFIG风电场12.011.511.010.5表2仿真系统元件参数Table2Parametersofthesimulationsystem仿真系统部件指定的参数或元件“”注:110kV系统兀件取自WindFarm(IG)Demo;FSIG风电场兀“”“件取自WindFarm(IG)Demo:DFIG风电场元件取自WindFarm”(DFIGPhasorMode1)Demo3.2不同集电网络处理方法的精度对比“”“”“首先,对并联化变换、单阻抗等效、并”“”联形式简化、忽略集电网络四种不同的集电网络处理方法下风电场聚合模型的稳态输出进行了对比。由于1.5MW的FSIG机组的风轮直径在65rn左右,3MW的DFIG机组风轮直径在90m左右l,“”并考虑到机组间的纵向问隔(以下用z表示)为5~10倍风轮直径J,因此在仿真中对FSIG风电场将三z从0.3km到0.7km进了5轮仿真,对DFIG风电场将z从0.4km到0.9km进了6轮仿真,结果列于表3中。风电场输出功率的稳态误差主要由集电网络的功率损耗造成。目前多数风电场集电网络采用2538.电力系统保护与控制kV或35kV的电压等级,这样有助于减小集电网络的损耗从而提高经济效益。四种集电网络处理方法的稳态误差绝对量都非常小,这是符合实际风电场情况的,但从表3中的误差相对值上看,本文所提出的两种变换方法比其他简化方法的误差小了一个数量级,具有一定的优越性。表3不同集电网络处理方法下的风电场稳态误差Table3Steady-stateerrorsunderdifferentmanagementofcollectornetwork“’“”…’“’’注:为并联化变换;B为单阻抗等效;C为并联形式简化;D为忽略集电网络。然后,对四种不同的集电网络处理方法下风电场图10给出了DFIG风电场内各行机组的变化聚合模型在电网扰动时的动态响应进行了比较。电网曲线。可以看到,尽管各行机组经受的风速差别较扰动设置为三相接地故障,故障发生在风电场与系统大,但是在动态过程中机组的等值阻抗变化不大,间一条联络线的中间,故障持续0.1s后消失。使得各行机组的变化曲线非常接近,因此并联化图9给出了FSIG风电场内各行机组的变化变换在动态过程不会导致明显的误差。曲线。由于正常运行时FSIG的滑差很小,转速的轻微变化可能导致滑差成倍增减,因此在动态过程中FSIG的等值阻抗变化较大。从图9中可以看到,的模值有一定差别但比较接近,而相位的差别比较明显。因此,对于FSIG风电场,并联化变换在动态过程中会导致一定的误差。0tO0200300400500600700800900l000t/ms——第1行机组l…第2行机组{~第3行机组}第4行机组lt/ms——第l行机组…第2行机组…第3行机组第4行机组“”图10DFIG机组的动一稳等值阻抗比曲线Fig.10RatiocurvesbetweendynamicandsteadyequivalentimpedanceofDFIG动态过程的误差采用式(9)所示的相对误差公式计算。1阳缶l%08642O8642021llllOO0OOO8642O2468lO000OO0OO金宇清,等用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法一39.Ⅳ其中:是采样点的数量;Y是风电场原始连接方式下的有功功率P或无功功率Q的数值;Y是某种网络处理方式下的P或Q数值。计算时不计入P<O.5MW以及Q<0.5Mvar的数据点,以免造成相对误差的异常增大。误差计及了扰动发生后0.5S内的响应,表4中列出了仿真结果,图1l和图12分别给出了FSIG风电场(机组间隔0.7km) ̄nDFIG风电场(机组间隔0.9km)的动态响应曲线对比图。表4不同集电网络处理方法下的风电场动态误差Table4Dynamicresponseerrorsunderdifferentmanagementofcollectornetwork“”“”…’…’注:A为并联化变换;B为单阻抗等效;C为并联形式简化:D为忽略集电网络。可以看到,对于并联化变换,虽然FSIG机组间的曲线有较为明显的差别,但是风电场聚合模型的动态精度依然较高:对于DFIG风电场,聚合模型的动态精度明显高于FSIG风电场,这与各童DFIG机组间的变化曲线更为接近是对应的。此外,对该仿真系统而言,单阻抗等效方法的精度也令人满意,但相对于较为精细的并联化变换方法精度稍差。而两种简化处理方法均导致了较为明显的图11机组间隔700m时FSIG风电场在不同集电网络处理方法下的动态响应曲线Fig.11DynamicresponseofFSIGwindfarmunderdifferentmanagementofcollectornetworkwhengeneratorintervalis700m器t/ms图12机组间隔900m时DFIG风电场在不同集电网络处理方法下的动态响应曲线Fig.12DynamicresponseofDFIGwindfarmunderdifferentmanagementofcollectornetworkwhengeneratorintervalis900m误差,不适宜在动态精度要求高的场合采用。再从仿真曲线的拟合效果上看,经并联化变换或单阻抗等效得到的风电场聚合模型的拟合度很高,而其他两种简化方法的拟合效果欠佳。4结论本文提出了适用于辐射形风电场聚合建模的集加m,O重‘,J苎oH00《苫,J0;0..40..电力系统保护与控制电网络变换方法,可将风电机组的辐射形接线变换为全部并联于PCC的结构,从而便于实现风电场内任意风电机组的聚合。在风电机组参数、集电网络拓扑及参数己知的情况下,以网络变换前后由电网电压产生的风电机组端口电压不变为原则,可对集电网络进行并联化变换;当已知条件不足以进行并联化变换时,可以根据集电网络的功率损耗对其进行单阻抗等效。仿真结果表明,两种变换方法对FSIG和DFIG风电场均适用,且能够适应机组间风速差别较大的情况;两种变换方法的稳态精度相当,而并联化变换方法具有更高的动态精度;两种变换方法应用于DFIG风电场的动态精度均优于FSIG风电场。参考文献[1]李东东,陈陈.风力发电机组动态模型研究【J].中国电机工程学报,2005,25(3):l16-l19.LIDong-dong,CHENChen.Astudyondynamicmodelofwindturbinegeneratorsets[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(3):116l19.[2]许寅,陈颖,梅生伟.风力发电机组暂态仿真模型[J].电力系统自动化,2011,35(9):100,107.XUYin,CHENYing,MEISheng-wei.Reviewonwindturbinemodelsforpowersystemtransientsimulations[J].AutomationofElectricPowerSystems,2011,35(9):10O.107.[3]孙元章,吴俊,李国杰.风力发电对电力系统的影响[J].电网技术,2007,31(2O):55-62.SUNYuan-zhang,WUJun,LIGuo-jie.Influenceresearchofwindpowergenerationonpowersystems[J].PowerSystemTechnology,2007,31(20):55-62.[4]田春筝,李琼林,宋晓凯.风电场建模及其对接入电网稳定性的影响分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(19):46-51.——TIANChunzheng,LIQionglin,SONGXiao-kai.Modelingandanalysisofthestabilityforthepowersystemconsideringtheintegrationofthewindfarms[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(19):46.51.[5]范高锋,赵海翔,戴慧珠.大规模风电对电力系统的影响和应对策略[J].电网与清洁能源,2008,24(1):44.47.FANGao-feng,ZHAOHa—lxiang,DAIHui-zhu.Theimpactandcountermeasureoflargescalewindpoweronpowersystem[J].PowerSystemandCleanEnergy,2008,—24(1):4447.[6]王民浩,易跃春,陈观福,等.中国风电场工程建设标准与成果汇编(2009年版)[M】.北京:中国水利水电出版社,2010.—WANGMin-hao,YIYuechun,CHENGuan-fu,eta1.Chinawindfarmconstructionstandardsandachievementsassembly(2009)[M1.Beijing:ChinaWaterPowerPress,2010.[7]王建东,李国杰.海上风电场内部电气系统布局经济型对比[J].电力系统自动化,2009,33(11):99.103.WANGJian-dong,LIGuo-jie.Economiccomparisonofdifferentcollectornetworksforoffshorewindfarms[J].AutomationofElectricPowerSystems,2009,33(11):99.1O3.[8]SlootwegJGKlingWL.Modelingoflargewindfarmsinpowersystemsimulations[C】//IEEEEngineeringSocietySummerMeeting,Chicago,USA,July,25-25,2002.[9]AkhmatovVKnudsenH.Anaggregatemodelofa—grid-connected,largescale,offshorewindfarmsfor—powerstabilityinvestigationsimportanceofwindmillmechanicalsystem[J].ElectricalPowerandEnergy—Systems,2002,24(9):709717.[10]黄梅,万航羽.在动态仿真中风电场模型的简化[J】.电工技术学报,2009,24(9):147.152.HUANGMei,WANHang-yu.Simplificationofwindfarmmodelfordynamicsimulation[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(9):147-152.[11]李辉,赵斌,史旭阳,等.含不同风电机组的风电场暂态运行特性仿真研究【J1.电力系统保护与控制,20ll,39(13):1-7.—LIHui,ZHAOBin,SHIXuyang,eta1.Simulationstudyonthetransientoperationalperformancesofawindfarmincludingdifferentwindturbinegeneratorsystems[J].PowerSystemProtectionandControl,2011,39(13):1-7.[12]孙建锋,焦连伟,吴俊玲,等.风电场发电机动态等值—问题的研究[J】_电网技术,2004,28(7):5861.SUNJia—nfeng,JIAOLia—nwei,WUJun-ling,eta1.—Researchonmultimachinedynamicaggregationinwindfarm[J].PowerSystemTechnology,2004,28(7):58-61.[13]包能胜,徐军平,倪维斗,等.大型风电场失速型机组等值建模的研究【J].太阳能学报,2007,28(11):1284.1289.——BAONengsheng,XUJunping,NIWei・dou,eta1.Investigationofequivalentmodelingofmultiplestallwindturbinesystemsonlargescalewindfarm[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,2007,28(11):1284-1289.[14]乔嘉赓,鲁宗相,闵勇,等.风电场并网的新型实用等效方法『J】.电工技术学报,2009,24(40):209-213.QIAOJia-geng,LUZong・xiang,MINYong,eta1.Newdynamicequivalencemethodforgrid-connectedwindfarm[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2009,24(40):209-213.[15]何桂雄,晁勤,田易之,等.风电场恒速发电机动态等值参数聚合的研究【J].可再生能源,2009,27(1):14.18.HEGui-xiong,CHAOQin,TIANYi-zhi,eta1.Researchonthedynamicequivalentparameteraggregationof—fixedspeedwindturbinesinwindfarm[J].Renewable金宇清,等用于风电场聚合建模的内部集电网络变换方法.41一(上接第33页continuedfrompage33)CHANGQing-mei,ZHOUChang-lin,ZHANGShao-bo,eta1.Ellipticfilterdesignusedforpowerlinecarriercommunication[J].PowerSystemProtectionandControl,—2011,39(5):144147.—[14]ZHAIMingyue.Transmissioncharacteristicsof—lowvoltagedistributionnetworksinChinaunderthesmartgridsenvironment[J】.IEEETransactionsonPower—Delivery,2011,26(1):173180.[15]PapadopoulosTA,PapagiannisGK,DokopoulosPS.Low・voltagedistributionlineperformanceevaluationforPLCsignaltransmission[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2008,23(4):1903-1910.[16]JustinianAnatory,NelsonTheethayi,RajeevThottappillil,eta1.Abroadbandpowe 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