热力发电

参数	数值
直流侧母线电压U_dc/V	800
交流侧母线电压U_abc/V	220
工频频率f_n/Hz	50
有功惯性系数J/(kg·m²)	0.33
滤波器电感L_f/mH	5
滤波器等效电阻R_f/Ω	0.1
滤波电容C_f/μF	10
无功下垂系数D_q(N·m²)	6

参数	数值
直流侧母线电压U_dc/V	800
交流侧母线电压U_abc/V	220
工频频率f_n/Hz	50
有功惯性系数J/(kg·m²)	0.33
滤波器电感L_f/mH	5
滤波器等效电阻R_f/Ω	0.1
滤波电容C_f/μF	10
无功下垂系数D_q(N·m²)	6

弱电网不平衡工况下的构网型储能控制技术研究

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黄贤淼 ¹ , 邵尹池 ¹ , 巩宇 ¹ , 刘迪 ¹ , 朱学森 ¹ , 罗家林 ²

热力发电 | 构网型储能运行控制技术研究 2024,53(8): 59-67

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热力发电 | 构网型储能运行控制技术研究 2024, 53(8): 59-67

弱电网不平衡工况下的构网型储能控制技术研究

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黄贤淼¹, 邵尹池¹, 巩宇¹, 刘迪¹, 朱学森¹, 罗家林²

作者信息

^1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京　100045

^2.上海电力大学电气工程学院，上海　200090

黄贤淼（1997），男，工程师，主要研究方向为储能建模技术，2461902282@qq.com。

通讯作者:

罗家林（1998），男，硕士研究生，主要研究方向为微电网储能控制技术，3142849855@qq.com。

Control technology for grid-forming energy storage under unbalanced working conditions of weak current networks

Xianmiao HUANG¹, Yichi SHAO¹, Yu GONG¹, Di LIU¹, Xuesen ZHU¹, Jialin LUO²

Affiliations

^1.Electric Power Science Research Institute, State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd., Beijing 100045, China

^2.College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China

出版时间: 2024-08-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202403055

文章导航

摘要

收起

弱电网内阻抗大，在接入不平衡负载时，无法维持自身电压的稳定，导致电压三相不平衡、输出功率波动，虚拟同步发电机（VSG）技术作为构网型控制可对弱电网电压提供支撑，但不平衡负载接入下VSG技术无法维持输出电压平衡。对此，提出一种的改进VSG分序解耦控制策略。首先，分析了不平衡负载接入后导致VSG输出电压三相不平衡、功率波动的机理；然后，采用基于双同步坐标系解耦（DDSRF），分离出电网正、负序电压，在dq旋转坐标系下采取正、负序分序控制的策略，控制负序电压分量；最后，搭建了VSG仿真模型，仿真结果表明所提改进VSG分序解耦控制技术可抑制VSG输出的不平衡电压。

关键词

构网控制 / 储能 / VSG / 不平衡控制

Abstract

收起

The impedance inside weak current network is large, and when unbalanced loads are connected, it is unable to maintain the stability of its own voltage, resulting in three-phase voltage imbalance and output power fluctuations. Virtual synchronous generator (VSG) technology, as a grid-forming control, can provide support for voltage of the weak current network. However, under the connection of unbalanced loads, the VSG technology cannot maintain output voltage balance. To solve this problem, an improved VSG sequence decoupling control strategy is proposed. Firstly, the principle of three-phase imbalance and power fluctuation in VSG output voltage caused by unbalanced load connection is investigated. Secondly, a dual synchronous coordinate system decoupling (DDSRF) is adopted to separate the positive and negative sequence voltages of the power grid, and a positive and negative sequence control strategy is employed to control the negative sequence voltage component in dq rotating coordinate system. Finally, a VSG simulation model is built and the simulation results indicate that the proposed improved VSG sequential decoupling control strategy can suppress the unbalanced voltage output of the VSGs.

Key words

grid-forming control / energy storage / VSG / unbalanced control

引用本文

黄贤淼, 邵尹池, 巩宇, 刘迪, 朱学森, 罗家林. 弱电网不平衡工况下的构网型储能控制技术研究. 热力发电, 2024 , 53 (8) : 59 -67 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202403055

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正文

收起

近年来，可再生能源在电网中渗透率不断提升，区域网络已经逐渐从高转动惯量、低内阻抗的强电网转化为低转动惯量、高内阻抗的弱电网^[1-3]。高可再生能源渗透率下的电网电源与传统的同步发电机电源不同，是通过电力电子变流器进行整流逆变的电流源，缺乏同步发电机自身具备旋转惯性和阻尼，因此在应对电网中的干扰时，无法保持电网电压、频率的稳定性^[4-5]。弱电网在实际运行的过程中，易受到不平衡负载、相间故障等因素的影响而无法保证自身电压的对称性，使得电网断电、火灾等事故频发^[6-8]。特别是在港口、海岛、偏远山区等供电薄弱的地点，电网将长期处于孤岛运行的工况，无法保证供电区域内供电可靠性和电能质量。

大规模储能发展是可再生能源充分开发利用的最佳技术支撑^[9-12]，能有效解决电网运行安全^[13]、电能质量^[14]、电力电量平衡^[15]等方面存在的突出问题。储能控制技术分为构网型和跟网型2种，其中构网型储能控制技术能够提供惯量支撑，显著提高电网的稳定性^[16-17]，目前有学者将储能与虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）控制技术^[18-20]相结合，使得储能模拟同步发电机的运行特性，为电网提供惯量、阻尼支撑。但同步发电机在接入不平衡负载情况下无法维持电压三相平衡，VSG控制也存在此问题^[21-22]。文献[23]基于二阶广义积分器（SOGI）降阶后得到降阶谐振调节器的正负序分离技术，该技术省略了对称分量法步骤，可直接进行正负序分离，运算量小，速度快，但实际计算中由于存在复数算子j，因此正负序分离精度仍有一定降低，且易收到谐波影响。文献[24]在αβ坐标系下提出一种改进的比例复数积分负序电压VSG控制方法，并结合虚拟阻抗补偿不平衡电压压降，该方法虽然可以有效补偿不平衡电压，且比例复数积分控制具有较强的抗干扰性，但添加了虚拟阻抗后会使变流器内阻抗增大，增加了功率的精准分配但降低了电压支撑能力，削弱了VSG的电压源特性。文献[25]基于交叉解耦复数滤波器DCCF进行平衡电流、恒定有功及无功3种目标下的稳定控制，但DCCF控制复杂，正负序分离时间较长，且不平衡电流控制无法为电网电压提供支撑，进一步加大了电压不平衡程度。

本文在dq坐标系下基于双同步坐标系解耦（DDSRF）技术，进行VSG输出电压、电流的正负序分离，并提出一种改进电压电流双闭环控制技术的方法，实现正、负序解耦控制，在正序控制环中根据功率指令及电网正序电压、电流值计算出VSG正序输出电压参考信息，在负序控制环中根据负序电压指令为0与电网负序电压、电流值计算出VSG负序补偿电压参考信息，最终将正、负序输出电压叠加输入SVPWM调制模块得到逆变器控制信号，最终达到VSG输出电压三相平衡的目的。

1　构网型储能控制

收起

储能变流器是将储能内部直流电源转换成与电网交流电源相符合的重要连接元件，储能变流器个体的功能对整个电网的功能有举足轻重的影响。VSG控制在下垂控制的基础上加入了同步发电机的旋转惯量和阻尼分量环节，因此VSG控制运行时可增加系统的惯量和阻尼。其实现的原理为在下垂控制中加入了同步发电机的电磁方程和机械方程，进而起到替代作用，使采用VSG控制的储能装置在并网运行时，能够模拟同步机组并网运行所具备的旋转惯性、阻尼特性等外特性以及调频、调压等功能。

1.1　储能VSG控制原理

储能VSG控制原理如图1所示。图1中：u_abc、i_abc分别为储能变流器中点电压、储能变流器侧电感电流；u_c,abc、i_c,abc分别为VSG输出电压和电流；R_f、L_f为VSG虚拟定子绕组阻抗；R_g、L_g为线路阻抗；u_g,abc为电网电压；P、Q分别为VSG输出的有功功率、无功功率；P_ref、Q_ref、f_ref、V_ref、δ_ref、e_ref分别为储能变流器的有功功率、无功功率、频率、电压、相角、电动势指令值。

VSG的有功-频率控制在下垂控制的基础上，引入了同步发电机的转子方程，通过控制虚拟机械转矩的输出调节频率，采用阻尼功率来抑制功率震荡，计算公式为：

{T m − T e = J d ω d t + D p Δ ω Δ ω = (ω − ω g)

(1)

{T m − T e = P m − P e ω n P m = P ref − K f Δ ω

(2)

式中：T_m、T_e分别为VSG虚拟机械转矩与虚拟电磁转矩；ω、ω_g分别为VSG虚拟电角速度与电网电角速度；D_p为阻尼系数；J为转子转动惯量，本文设转子极对数为1；P_m、P_e分别为虚拟机械功率和虚拟电磁功率；K_f为有功下垂比例系数。

虚拟同步发电机有功-频率控制如图2所示。并网运行工况下，VSG通过建立一个虚拟电势U_ref来模拟同步发电机调节励磁电流的调节方式，控制VSG输出电压和无功功率。根据VSG的虚拟机端电压额定值与测量得到的实际输出幅值进行比较，并采用积分控制来调整输出的无功功率，无功/电压控制计算公式为：

U ref = U n + 1 K q s [Q ref + D q (U cn − U c) − Q e]

(3)

式中：k_q为积分器增益；U_cn为VSG虚拟机端电压额定值。

并网运行工况下的虚拟同步发电机无功功率-电压控制如图3所示。

由此得到并网下VSG控制如图4所示。

1.2　不平衡工况下储能VSG输出不平衡机理

本文储能装置的接线方式为三相三线制接线，主要研究三相负载不平衡的场景，因此忽略零序分量。在实际运行中，当三相负载不平衡时，负载电压中性点发生偏离，VSG输出三相电压不对称，幅值不相等。

对称分量法主要用于分析电网不对称故障场景，可将一组不对称的三相量分解为正序、负序、零序三相对称的三相量。VSG输出电压可表示为：

[U A U B U C] = [cos (ω t + θ 1) cos (ω t + θ 2) cos (ω t + θ 0) cos (ω t + θ 1 − 2 π 3) cos (ω t + θ 2 + 2 π 3) cos (ω t + θ 0) cos (ω t + θ 1 + 2 π 3) cos (ω t + θ 2 − 2 π 3) cos (ω t + θ 0)] [U P U N U 0]

(4)

式中：上标P表示正序分量；上标N表示负序分量；上标0表示零序分量；θ₁为VSG输出电压的正序分量的相角；θ₂为VSG输出电压的负序；θ₀为VSG输出电压的零序分量的相角。

本文虚拟同步发电机采用电压电流双闭环PI控制，因此需将不平衡电压从abc静止坐标系转到dq坐标系下分析，对式(4)进行Park变换可得：

[u d u q u 0] = T abc/ d q [U A U B U C] = [cos θ 1 cos (2 ω t + θ 2) 0 − sin θ 1 − sin (2 ω t + θ 2) 0 00 cos (ω t + θ 0)] [U P U N U 0]

(5)

式中：T_abc/dq为Park变换矩阵；上标P表示正序；上标N表示负序。忽略零序分量，不平衡工况下VSG的输出电压在dq坐标系中的正序、负序表达式为：

{u d P = cos θ l U P u q P = − sin θ l U P u d N = cos (2 ω t + θ 2) U N u q N = − sin (2 ω t + θ 2) U N

(6)

同理，不平衡工况下VSG的输出电流在dq坐标系中的正序、负序表达式为：

{i d P = cos θ l I P i q P = − sin θ l I P i d N = cos (2 ω t + θ 2) I N i q N = − sin (2 ω t + θ 2) I N

(7)

由式(6)—式(7)可知，虚拟同步发电机在不平衡工况下输出的电压、电流正序为常量，即直流量，输出的负序电压、电流为二倍频的波动量。

VSG输出的瞬时功率为：

S = P + j Q = (e j ω g t u d q P + e - j ω g t u d q N) (e j ω g t i d q P + e - j ω g t i d q N)

(8)

式中：S为复数功率。

根据式(8)可得到VSG瞬时输出的有功功率和无功功率，可表示为：

{P = p ¯ + P c2 cos (2 ω g t) + P s2 sin (2 ω g t) Q = q ¯ + Q c2 cos (2 ω g t) + Q s2 sin (2 ω g t)

(9)

式中：上标“-”表示平均功率；P_c2、Q_c2分别为VSG输出有功功率和无功功率的余弦二倍频波动幅值；P_s2、Q_s2分别为VSG输出有功功率和无功功率的正弦二倍频分量幅值。

从式(9)可得，在不平衡负载下的VSG输出瞬时功率会产生二倍频分量，导致VSG输出的有功功率和无功功率存在二倍频振荡，该振荡由VSG电压、电流的正负序分量耦合产生，计算公式为：

[p ¯ q ¯ P c 2 P s 2 Q c2 Q s2] = 32 [u d P u q P u d N u q N u q P − u d P u q N − u d N u d N u q N u d P u q P u q N − u d N − u q P u d P u q N − u d N u q P − u d P − u d N − u q N u d P u q P] [i d P i q P i d N i q N]

(10)

通过式(10)可得，当VSG输出电压、电流三相平衡时，该负序分量为0，可抑制有功功率、无功功率中的二倍频波动分量；但由于负载不平衡，电压、电流无法同时平衡，仍然存在不平衡分量，二倍频功率波动分量为负序电压、电流与正序电压、电流耦合而成，故无法消除全部功率波动分量。在该场景下，为了消除不对称电压对电网运行的影响，本文的控制目标为VSG输出电压三相平衡，且减少部分有功功率、无功功率的功率振荡。

2　储能VSG不平衡电压控制

收起

储能VSG输出不平衡电压，不平衡电压输出的不平衡功率将会加重弱电网运行时的电压不对称程度，降低电网运行的稳定性。分布式可再生能源根据不平衡负载引起的不平衡电压机理，以及DDSRF技术的研究，利用正负序分离技术对VSG输出的不平衡电压进行正负序分离，并直接对负序电压进行补偿，可有效抑制VSG输出的负序电压，改善VSG输出电压平衡度。

2.1　双同步坐标系解耦法DDSRF

基于双同步坐标系解耦法的原理，对三相电压U_abc同时进行与三相电压方向相同的正序Park变换和与三相电压方向相反的Park变换，通过双Park变换分别检测分离出正序分量和负序分量。

首先，对三相电压进行正序、负序双Park变换后可得：

[U a U b U c] = P P − 1 [u d P u q P] + P N − 1 [u d N u q N]

(11)

式中：

P P − 1

、

P N − 1

分别为正序和负序下的Park变换逆矩阵。在式(11)中分别左乘正、负序Park变换矩阵P_P、P_N可得：

[u d u q] = [u d P u q P] + [cos 2 ϖ t sin 2 ϖ t − sin 2 ϖ t cos 2 ϖ t] [u d N u q N]

(12)

[u d u q] = [cos 2 ϖ t − sin 2 ϖ t sin 2 ϖ t cos 2 ϖ t] [u d P u q P] + [u d N u q N]

(13)

显然，对原来的三相电压进行正序Park变换时，能够变换出正序dq轴直流分量，同时负序分量为二倍频的交流分量；同理对三相电压进行负序Park变换时，能够变换出负序dq轴直流分量，同时正序分量为二倍频的交流分量。在此基础上，可通过低通滤波器LPF滤除二倍频分量，其原理如图5所示。其中正序模块原理如图6所示。

负序模块与正序模块类似，只需要将角速度方向取反即可，即取-2wt。

2.2　基于DDSRF的VSG电压电流正负序分离控制

在弱电网中接入的负载不对称时，要求储能变流器提供的参考电压三相平衡，即VSG输出电压中仅有正序分量，负序分量为0。本文所提的电压电流双闭环PI控制需要进行分序解耦控制，在负序控制中，负序电压指令值设定为0。

正序电压电流环解耦控制算法如下：

{i d ref P = (k up + k ui s) (u d ref − u c d P) − ω C f u c q P + i d P i q ref P = (k up + k ui s) (u q ref − u c q P) + ω C f u c d P + i q P u d P = (k ip + k i i s) (i d ref P − i c d P) − ω L f i c q P + u c d P u q P = (k ip + k i i s) (i q ref P − i c q P) + ω L f i c d P + u c q P

(14)

由式(14)可得，因为VSG输出的指令电压由有功功率-频率、无功功率-电压控制环中计算得出，三相对称，因此正序控制环与电压电流双闭环控制相同。在计算出正序电压输出值后，经过与Park变换得到正序电压输出信号。

负序电压电流环解耦控制算法如下：

{i d ref N = (k up + k ui s) (0 − u c d N) − ω C f u c q N + i d N i q ref N = (k up + k ui s) (0 − u c q N) + ω C f u c d N + i q N u d N = (k ip + k i i s) (i d ref N − i c d N) − ω L f i c q N + u c d N u q N = (k ip + k i i s) (i q ref N − i c q N) + ω L f i c d N + u c q N

(15)

由式(15)可知，为了使VSG输出的电压负序分量为0，因此设定指令电压为0，通过负序电压电流控制环中的负序分量计算得出负序电压补偿值。在计算出负序电压补偿值后，需经过与正序旋转方向相反的负序Park变换得到负序电压补偿信号。

正负序电压电流控制结构如图7所示。图中，u_dref、u_qref为VSG输出电压的指令值；u_cd、u_cq为VSG输出电压的实际值；i_d、i_q为变流器侧电感电流；i_dref、i_qref为VSG输出电流指令值；i_cd、i_cq为VSG输出实际电流值。由图7可见，该控制结构分为上下两部分，上半部分为正序电压电流双闭环控制，下半部分为负序电压电流双闭环控制，正序和负序控制结构相同，区别为上半部分输入正序参数，下半部分输入负序参数。在经过电压电流双环控制前，将VSG中的输出电压、电流以及VSG机端电流和参考电压信息通过正负序分离，输入相应的正负序控制环中。

图8为基于DDSRF的VSG不平衡电压控制策略结构。由图8可见，首先将VSG的参考电压和实际输出正序电压作差送入正序电压PI控制器中，通过交叉耦合补偿和正序电流前馈补偿，得到正序电流控制信号。再将正序电流控制信号与实际输出正序电流信号作差送入PI控制器中，通过交叉耦合补偿和正序电压前馈补偿，得到正序电压控制信号，最终通过正序Park反变换得到abc坐标系下的正序调制电压信息。

将VSG的负序参考电压和实际输出负序电压作差送入负序电压PI控制器中，通过交叉耦合补偿和负序电流前馈补偿，得到负序电流控制信号。再将负序电流控制信号与实际输出负序电流信号作差送入PI控制器中，通过交叉耦合补偿和负序电压前馈补偿，得到负序电压控制信号，最后通过负序Park反变换得到abc坐标系下的负序调制电压信息。最终将正负序电压电流环处理的结果经过Park逆变换后两者结果相加，可得到输出电压指令。

3　仿真验证

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为了验证本文所提出的VSG改进分序控制技术在不平衡负载下对不平衡电压的控制能力，根据所提VSG总体框图及基于DDSRF的分序控制策略，搭建了储能VSG仿真模型，所使用的仿真软件为MATLAB/Simulink。本文储能VSG模型的具体仿真参数见表1。

为验证基于DDSRF的正负序分离技术能够实现对正负序分量进行分离，在MATLAB/Simulink中搭建了相应的仿真模型，将设置好的不平衡电压使用DDSRF和ROR 2种技术进行分离，得到正、负序分量，并对DDSRF与ROR 2种技术分离的结果进行比较。

在本次研究中的三相不平衡电压参数为：相电压a、c相为220 V，b相为110 V，周期50 Hz。不平衡三相电压波形如图9所示。

基于DDSRF与ROR正负序分离方法的正序电压分离结果如图10和图11所示。从图10和图11可得，2种正负序分离方法在不平衡电压的正序分离结果上一致，三相电压对称性高。基于DDSRF与ROR分离方法的负序电压分离结果如图12和图13所示。

由图12和图13可见，基于DDSRF的正负序分离方法在不平衡电压的负序分离结果波形畸变率小，负序电压对称性好。基于ROR的正负序分离方法在不平衡电压的负序分离结果波形畸变率大，负序电压对称性差。

为了验证VSG不平衡电压控制的稳定，搭建了VSG仿真控制模型，负载功率为9 kW，在1 s时在b相投入功率为6 kW的不平衡负载。不平衡工况下的传统VSG控制和基于DDSRF的VSG改进控制输出电压如图14和图15所示。

从图14和图15可以看出：在1 s前即不平衡负载投入前，传统VSG和DDSRF分序控制输出的三相电压间幅值均相等，对称度高；在1 s后即不平衡负载投入后，传统VSG控制的三相电压幅值间具有较大的差值，三相电压波形不对称度高，DDSRF分序控制在不平衡负载下的三相电压幅值间的差值小，三相电压波形对称度高。

不平衡工况下的传统VSG控制和基于DDSRF的VSG改进控制输出电压不平衡度如图16所示。从图16可以看出：在1 s前即不平衡负载投入前，传统VSG控制和DDSRF分序控制的三相电压不平衡度均为0；在1 s后即不平衡负载投入后，传统VSG控制的三相电压不平衡度在4%上下波动，超出了国标对于三相电压不平衡度控制2%以内的要求；DDSRF分序控制的三相电压不平衡度在0.1 s突增到1.3%后迅速抑制到0.2%以内，符合国标对于三相电压不平衡度的要求。DDSRF分序控制比传统VSG控制在不平衡负载投入下的三相电压不平衡度抑制能力更强。

不平衡工况下的传统VSG控制和基于DDSRF的VSG改进控制输出功率如图17所示。

从图17可以看出：在1 s前即不平衡负载投入前，传统VSG控制和DDSRF分序控制的有功功率输出均为9 000 kW；在1 s后即不平衡负载投入后，传统VSG控制的有功功率输出在13 000 kW上下波动，振幅为5 000 kW；DDSRF分序控制的有功功率输出在12 000 kW上下波动，振幅为3 300 kW，DDSRF分序控制在有功功率输出上比传统VSG控制更好。

4　结论

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本文针对弱电网应对不平衡负载能力弱的场景，提出结合构网型储能控制技术进行电压支撑。

1）详细介绍了储能VSG的内部结构，分析了VSG输出电压、电流不平衡后产生功率二倍频波动的机理；在不平衡负载场景下，VSG输出的功率波动由电压、电流的正负序分量耦合而成，无法完全消除。

2）提出了基于DDSRF的正负序分离控制技术，并且进行了仿真验证。结果表明，本文提出的基于DDSRF的VSG改进正负序分离控制策略能够有效控制VSG输出电压三相平衡，抑制功率波动。

基金

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国网冀北电力有限公司科技项目(52018K23000G)

参考文献

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文献

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2024年第53卷第8期

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doi: 10.19666/j.rlfd.202403055

接收时间：2024-03-30
首发时间：2026-01-07
出版时间：2024-08-25

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作者

出版历史

收稿日期：2024-03-30

基金

Science and Technology Project of State Grid Jibei Electric Power Co., Ltd.(52018K23000G)

国网冀北电力有限公司科技项目(52018K23000G)

作者信息

^1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京　100045

^2.上海电力大学电气工程学院，上海　200090

通讯作者:

罗家林（1998），男，硕士研究生，主要研究方向为微电网储能控制技术，3142849855@qq.com。

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/rlfd/CN/10.19666/j.rlfd.202403055

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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