李 升，王家華

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恒速異步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力仿真研究

李 升1，王家華2

（1. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，南京 211167；2. 南京四方億能電力自動(dòng)化有限公司，南京 211101 )

本文以一個(gè)機(jī)端母線設(shè)置為節(jié)點(diǎn)的恒速異步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)接入無窮大系統(tǒng)為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)線路發(fā)生三相接地短路故障時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越(LVRT)能力進(jìn)行了仿真分析，研究結(jié)果顯示風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力主要取決于故障發(fā)生后系統(tǒng)維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定的能力，即取決于故障切除時(shí)間t的大小。當(dāng)t小于或等于故障極限切除時(shí)間t時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)則具備一定的LVRT能力；當(dāng)系統(tǒng)具有較大的t值時(shí)，可有效提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的持續(xù)時(shí)間；在t≤t的前提下，故障切除時(shí)間越短，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常水平的速度越快。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端并聯(lián)電容器組、SVC、STATCOM等無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，均可有效增大系統(tǒng)的t值，從而顯著提高風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力；其中STATCOM對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的補(bǔ)償效果最好。

風(fēng)電場(chǎng)；恒速異步發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；暫態(tài)電壓穩(wěn)定性；故障切除時(shí)間

0 前言

風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力（low voltage ride-though, LVRT）是指風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)保持不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力。要求風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電機(jī)組具有LVRT能力的主要目的是為了防止電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組切機(jī)及反復(fù)并網(wǎng)可能帶來的安全穩(wěn)定問題。

我國(guó)2012版《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》給出了風(fēng)電場(chǎng)具備LVRT能力的并網(wǎng)點(diǎn)電壓下限輪廓線，如圖1所示[1]，其中低電壓穿越的持續(xù)時(shí)間為625ms，是在繼電保護(hù)（快速保護(hù)）動(dòng)作時(shí)間、斷路器跳閘時(shí)間及保證具有一定時(shí)間裕度的基礎(chǔ)上總結(jié)出的。同時(shí)規(guī)程還規(guī)定風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在短路故障發(fā)生2s后能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%及以上。

目前風(fēng)電場(chǎng)采用的風(fēng)電機(jī)組主要有兩種類型，一種是恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，即普通異步發(fā)電機(jī)組；另一種是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，如雙饋異步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)等。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在換流器等裝置的作用下一般具有一定或較強(qiáng)的LVRT能力[2-4]；而恒速異步發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)由于要吸收無功功率以建立磁場(chǎng)，其本身一般被認(rèn)為不具備LVRT能力，但可在其機(jī)端、箱變高壓側(cè)或風(fēng)電場(chǎng)主變低壓側(cè)裝設(shè)電容器組、SVC或STATCOM等無功補(bǔ)償裝置提高風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力[5-6]。恒速異步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)目前仍廣泛使用，因此研究這類風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力具有現(xiàn)實(shí)的意義，對(duì)于保障風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求

本文運(yùn)用PSAT軟件對(duì)一個(gè)恒速異步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)—無窮大系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力進(jìn)行仿真研究，從系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的角度研究風(fēng)電場(chǎng)的LVRT問題，探討故障切除時(shí)間對(duì)各種情況下風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的影響。

1 算例介紹

圖2 風(fēng)電場(chǎng)接入大電網(wǎng)

如圖2所示的一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)—無窮大系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)采用同型號(hào)的恒速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一機(jī)一箱變接線，匯集后經(jīng)10.5kV 場(chǎng)內(nèi)線路接入主升壓變，再經(jīng)過110kV雙回輸電線路接入電網(wǎng)。

單臺(tái)恒速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定容量2MVA，額定電壓0.69kV，r=0.048p.u.，x=0.075p.u.，r=0.018p.u.，x=0.12p.u.，x=3.8p.u.，H=2.5s。風(fēng)電場(chǎng)由10臺(tái)機(jī)組組成，額定容量達(dá)20MVA。

單臺(tái)箱式變壓器參數(shù)：0.69/10.5kV，額定容量2.25MVA，短路阻抗6.5%。

場(chǎng)內(nèi)線路：阻抗為0.198+j0.624p.u.(基準(zhǔn)容量100MVA)。

風(fēng)電場(chǎng)主變：10.5/121kV，額定容量50MVA，短路阻抗10.5%。

風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)輸電線路：每回阻抗為0.132+j0.375p.u.（基準(zhǔn)容量100MVA）。

在進(jìn)行建模和時(shí)域仿真時(shí)標(biāo)幺值基準(zhǔn)容量取100MVA，基準(zhǔn)電壓取各電壓等級(jí)的平均額壓。

風(fēng)速模型采用韋伯（Weibull）模型，具體參數(shù)采用PSAT提供的默認(rèn)值。

無窮大系統(tǒng)端母線Bus5設(shè)置為Slack節(jié)點(diǎn)，電壓幅值取1p.u.，電壓參考相角為0。風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端母線既可設(shè)置為節(jié)點(diǎn)，也可設(shè)置為節(jié)點(diǎn)；考慮在實(shí)際運(yùn)行中一般按節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，因此本文將風(fēng)電機(jī)組機(jī)端母線Bus1設(shè)置為節(jié)點(diǎn)，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率占其額定容量的80%(即0.16p.u.)，吸收的無功功率占額定容量的30%(即0.06p.u.)。

在圖2所示系統(tǒng)中，母線Bus4為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)。

由于風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力涉及到電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障后風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各母線電壓能否及時(shí)恢復(fù)的問題，因此與系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性緊密相關(guān)。圖2所示系統(tǒng)中，異步發(fā)電機(jī)可被視為一個(gè)吸收無功功率的感性負(fù)荷，因此該系統(tǒng)存在的暫態(tài)穩(wěn)定性問題屬于暫態(tài)電壓穩(wěn)定的范疇。衡量系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的主要指標(biāo)是故障極限切除時(shí)間t，當(dāng)故障切除時(shí)間t小于或等于t時(shí)，系統(tǒng)各母線電壓均能夠恢復(fù)正常；否則系統(tǒng)內(nèi)至少有1條母線電壓發(fā)生崩潰[7]。

2 風(fēng)電機(jī)組無無功補(bǔ)償時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力分析

現(xiàn)假設(shè)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端未裝設(shè)任何無功補(bǔ)償設(shè)備，潮流計(jì)算結(jié)果顯示異步發(fā)電機(jī)所吸收的無功功率(0.06p.u.)全部由無窮大系統(tǒng)提供，機(jī)端母線Bus1電壓為0.9087p.u.?，F(xiàn)分別考察風(fēng)電場(chǎng)接入無窮大系統(tǒng)的雙回輸電線路中L2首端（即發(fā)送端）及L2中點(diǎn)處發(fā)生三相接地短路(接地阻抗為0+j0.001p.u.)時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力。

2.1 線路L2首端發(fā)生短路故障

設(shè)線路L2首端（即風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)）在時(shí)間=2s時(shí)發(fā)生三相接地短路，線路保護(hù)在時(shí)間t（即故障切除時(shí)間）后切除故障線路，線路不重合；仿真過程中不考慮繼電保護(hù)動(dòng)作。經(jīng)過反復(fù)的仿真測(cè)試可求得系統(tǒng)的故障極限切除時(shí)間t。由于風(fēng)速具有隨機(jī)性和間歇性，從而導(dǎo)致機(jī)端輸出電壓也具有波動(dòng)性，因此當(dāng)在不同時(shí)間進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，t的大小可能會(huì)產(chǎn)生一些微小的變化，但偏差一般只在幾ms 之內(nèi)。

如圖3（a）所示，當(dāng)t=0.619s時(shí)，機(jī)端母線電壓能夠恢復(fù)正常，系統(tǒng)能夠維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定；當(dāng)t=0.620s時(shí)，機(jī)端母線電壓發(fā)生崩潰，系統(tǒng)失去暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，因此故障極限切除時(shí)間t=0.619s。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)線路L2發(fā)生短路故障時(shí)，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩不平衡導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速不斷增大，如圖3（b）所示，若故障切除時(shí)間t大于t，則轉(zhuǎn)子加速將失去控制，最終造成機(jī)端電壓崩潰（跌落至0p.u.）；若考慮繼電保護(hù)動(dòng)作，則風(fēng)電機(jī)組的超速保護(hù)和低電壓保護(hù)將機(jī)組從電網(wǎng)切除。如圖3（c）所示，由于短路故障發(fā)生在非常接近風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的線路L2的首端，因此故障期間Bus4電壓跌落在0p.u.左右。當(dāng)t=0.619s時(shí)，Bus4電壓在故障發(fā)生2s后能夠及時(shí)恢復(fù)至0.9p.u.以上，說明風(fēng)電場(chǎng)具有一定的LVRT能力。而當(dāng)t=0.620s時(shí)，Bus4電壓無法恢復(fù)正常，最終跌落在0.70762p.u.，風(fēng)電場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)LVRT功能；注意此時(shí)Bus4電壓由于受到無窮大系統(tǒng)的支撐，其跌落水平并不會(huì)過低。

2.2 線路L2中點(diǎn)發(fā)生短路故障

現(xiàn)假設(shè)三相接地短路故障發(fā)生在線路L2的中點(diǎn)，其他仿真條件不變，經(jīng)測(cè)試可求得系統(tǒng)的t=0.738s，和故障發(fā)生在線路L2首端的情況相比，系統(tǒng)的故障極限切除時(shí)間明顯增大，系統(tǒng)維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的能力增強(qiáng)，而風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)變長(zhǎng)。如圖4所示風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)Bus4的電壓變化曲線，由于故障點(diǎn)距離并網(wǎng)點(diǎn)有一定的電氣距離，因此故障期間的并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落水平得到提高；當(dāng)t=0.738s時(shí)，Bus4電壓可恢復(fù)至0.9p.u.以上；若將故障切除時(shí)間縮短，例如取0.625s，則Bus4電壓恢復(fù)正常運(yùn)行水平的速度將明顯加快，顯著提高了風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力。

由以上分析可知，并入電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力主要取決于故障后系統(tǒng)恢復(fù)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的能力和故障切除時(shí)間，當(dāng)故障切除時(shí)間小于或等于系統(tǒng)的故障極限切除時(shí)間時(shí)，即使恒速異步風(fēng)電機(jī)組機(jī)端不裝設(shè)任何無功補(bǔ)償設(shè)備，也可使風(fēng)電場(chǎng)具備一定的LVRT能力。

3 風(fēng)電機(jī)組機(jī)端有無功補(bǔ)償時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力分析

文獻(xiàn)[8]運(yùn)用仿真方法考察了并聯(lián)電容器組、SVC、STATCOM對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的補(bǔ)償作用，現(xiàn)考慮異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端母線分別裝設(shè)這3種無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的補(bǔ)償效果。

圖3 機(jī)端無補(bǔ)償、L2首端短路時(shí)電壓和轉(zhuǎn)速變化曲線

圖4 機(jī)端無補(bǔ)償、L2中點(diǎn)短路時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化曲線

首先以風(fēng)電機(jī)組機(jī)端并聯(lián)電容器組的情況來確定無功補(bǔ)償?shù)念~定容量。由潮流計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)取電容器組額定容量為6MVar時(shí)，電容器組發(fā)出的無功功率為0.05702p.u.，不足以補(bǔ)償異步發(fā)電機(jī)需吸收的無功（0.06p.u.）。當(dāng)取額定容量為7MVar及以上時(shí)，電容器組發(fā)出的無功功率>0.06p.u.，可滿足異步發(fā)電機(jī)對(duì)無功的需求。在實(shí)際仿真時(shí)，電容器組、SVC(采用PSAT提供的I型SVC模型)、STATCOM的額定容量均取8MVar，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電容器補(bǔ)償可使并網(wǎng)點(diǎn)電壓維持在1.009p.u.左右，SVC補(bǔ)償維持在0.992p.u.左右， STATCOM補(bǔ)償則維持在1.006p.u.左右。

風(fēng)電機(jī)組機(jī)端裝設(shè)各種無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)的故障極限切除時(shí)間t如表1所示（基本仿真條件同前）。

表1 故障極限切除時(shí)間tvc/s

由表1可知，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組機(jī)端母線裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，可明顯增大t值，從而有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越持續(xù)時(shí)間。其中以STATCOM的補(bǔ)償效果最好；而SVC的補(bǔ)償效果反不及電容器組。另外，由表1可知，線路L2中點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)的t值均較相應(yīng)的L2首端發(fā)生短路故障時(shí)的t值大。

圖5為故障切除時(shí)間t=0.625s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組機(jī)端未進(jìn)行無功補(bǔ)償及分別采用電容器組、SVC和STATCOM補(bǔ)償時(shí)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化曲線。由圖5可知機(jī)端未裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓最終崩潰，這是由故障極限切除時(shí)間小于0.625s的原因所造成的；而機(jī)端裝設(shè)電容器組、SVC或STATCOM時(shí)，由于對(duì)應(yīng)的故障極限切除時(shí)間均大于0.625s，并網(wǎng)點(diǎn)電壓均能在故障發(fā)生2s后恢復(fù)正常（0.9p.u.以上）。當(dāng)機(jī)端裝設(shè)STATCOM時(shí)，故障切除后并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)速度最快，電容器組次之，而SVC相對(duì)最慢。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用PSAT軟件對(duì)一個(gè)機(jī)端母線設(shè)置為節(jié)點(diǎn)的恒速異步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)并入無窮大系統(tǒng)時(shí)的LVRT能力進(jìn)行了仿真研究，可獲得如下結(jié)論：

（1）風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力取決于系統(tǒng)在短路故障發(fā)生后維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定的能力，要保證電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)具有LVRT功能，就須在系統(tǒng)故障極限時(shí)間t內(nèi)將故障及時(shí)切除；當(dāng)故障切除時(shí)間t大于t時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)不具備LVRT能力。

圖5 L2首端短路時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化曲線(ts=0.625s)

（2）在t小于等于t的前提下，故障切除時(shí)間越短，并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)正常水平的速度也越快，風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力越強(qiáng)。

（3）在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端母線裝設(shè)電容器組、SVC或STATCOM時(shí)，可有效增大系統(tǒng)的t值，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越持續(xù)時(shí)間（即故障極限切除時(shí)間）；在各種無功補(bǔ)償設(shè)備中，機(jī)端裝設(shè)STATCOM時(shí)可獲得最大的故障極限切除時(shí)間，在相同的t下，可使并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)速度最快，對(duì)提高系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性和風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的效果最好。

（4）當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)線路上的短路故障點(diǎn)與并網(wǎng)點(diǎn)之間的電氣距離較大時(shí)，系統(tǒng)維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定的能力和風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力也較強(qiáng)，即風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力會(huì)受到電網(wǎng)側(cè)短路故障點(diǎn)位置的影響，在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的LVRT能力最弱。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 19963-2011, 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2012.

[2] 遲永寧, 王偉勝, 戴慧珠. 改善基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(25): 25-31.

[3] 楊濤, 遲永寧, 鄭濤. 雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制方案的研究[J]. 現(xiàn)代電力, 2009, 26(4): 36-40.

[4] 姚駿, 廖勇, 莊凱. 電網(wǎng)故障時(shí)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(12): 91-96.

[5] 王興貴, 宋磊, 鄭偉, 等. 靜止無功發(fā)生器在風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)故障時(shí)的作用研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2012, 28(4): 69-72.

[6] 吳杰，孫偉，顏秉超. 應(yīng)用STATCOM 提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(24): 47-51, 71.

[7] 李升, 王珣. 基于MATLAB的電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性仿真研究[J]. 南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 5(2): 34-39.

[8] 楊志越, 李鳳婷. 風(fēng)電場(chǎng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)端無功補(bǔ)償方案研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2011, (6): 25-28.

Simulation Study on LVRT Ability of Constant-speed Asynchronous Generator-based Wind Farm

LI Sheng1, WANG Jiahua2

(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China；2. Nanjing Sifang Epower Electric Automation Co., Ltd., Nanjing 211101, China)

A simulation model is established that a constant-speed asynchronous generator-based wind farm is accessed in the infinite system and the terminal bus of asynchronous generator is set innode. Base on the model we make some simulation analyses about LVRT ability of the wind farm when the 3-phase grounding short circuit fault happens in the grid connected line. The research results show that wind farm’s LVRT ability mostly depends on the ability of maintaining transient voltage stability after the fault happened, namely depends on the fault clearing timet. Whentis shorter than or equal to the fault critical clearing timet, the wind farm can have a certain LVRT ability and the greater tcan improve the duration time of LVRT. Whent≤t, the shorter the fault clearing timetis, the faster the voltage of grid connected bus recovers. When the terminal bus of the asynchronous generator parallels capacitor bank, SVC or STATCOM, the tcan be increased effectively and the ability of LVRT can be improved obviously, and the STATCOM can obtain the best compensation effect on LVRT ability.

wind farm; constant-speed asynchronous generator; low voltage ride-though(LVRT); transient voltage stability; fault clearing time

TM315

A

1000-3983(2014)01-0024-04

南京工程學(xué)院科研基金項(xiàng)目(QKJC2009007)

2013-03-13

李升（1973-），1995年畢業(yè)于河海大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制、新能源并網(wǎng)及智能電網(wǎng)技術(shù)，副教授。

審稿人：許善椿