趙 朗,艾 欣,賴柏竹,王 攀,林章歲,林 毅
(1. 華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 102206;2. 國網福建省電力公司經研院,福建 福州 350000)
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對稱雙極柔性直流輸電系統(tǒng)的運行特性研究
趙朗1,艾欣1,賴柏竹1,王攀1,林章歲2,林毅2
(1. 華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 102206;2. 國網福建省電力公司經研院,福建 福州 350000)
隨著柔性直流輸電系統(tǒng)輸送容量的擴大和電網對其可靠性要求的不斷提升,柔性直流輸電系統(tǒng)逐漸由單極或偽雙極結構發(fā)展到了雙極甚至多極的運行結構?;趩螛O不對稱VSC-HVDC系統(tǒng)搭建了雙端雙極對稱對稱VSC-HVDC系統(tǒng),建立了系統(tǒng)數(shù)學模型,設計了系統(tǒng)運行控制策略。在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性和暫態(tài)運行特性進行了研究分析,并對正極直流線路斷線故障實施了閉鎖措施。結果表明:系統(tǒng)具有良好的啟動特性和穩(wěn)態(tài)運行特性,驗證了系統(tǒng)模型的有效性;在故障條件下,由于控制器的調節(jié)控制作用,系統(tǒng)能保持較好的暫態(tài)運行特性,在正極直流閉鎖情況下,負極依然能維持正常運行狀態(tài),驗證了正負極的相互獨立性。
柔性直流輸電;對稱雙極;運行特性;控制策略
柔性直流輸電技術是采用基于全控型器件的電壓源換流器(Voltage Sourced Converter, VSC)的第三代直流輸電技術,自1997年第一條柔性直流線路投運以來,已在城市、海島等多種平臺廣泛應用。我國正不斷改進更新柔性直流輸電工程技術,目前已分別投運了南匯、南澳、舟山和大連柔性直流輸電工程,這些工程不僅滿足了當?shù)爻掷m(xù)增長的負荷需求,而且可以對電網進行動態(tài)無功補償、解決可再生能源并網問題、提高電網調度靈活性,同時逐步向大容量功率輸送、雙極連接送電等多個直流輸電技術方向展開研究和實踐,也促進了大功率大容量電力電子設備的發(fā)展[1-6]。隨著柔性直流輸電系統(tǒng)輸送容量的擴大和電網對其可靠性要求的不斷提升,柔性直流輸電系統(tǒng)逐漸由單極或偽雙極結構發(fā)展到了雙極甚至多極的運行結構[7]。這種輸電結構借鑒于常規(guī)高壓直流輸電,即在直流線路雙極的電位中性點上設置接地點,正負兩極相對獨立。當柔性直流輸電系統(tǒng)的一極因故障不能運行時,由于雙極的獨立性,另一極仍能正常運行,并保持一半的額定輸送容量。同樣,在建設過程當中,由于兩極的獨立性,可以對工程實現(xiàn)先期的分開建設和后期的擴容建設并提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性,因此雙極結構運行方式的柔性直流輸電相比單極或偽雙極結構具有運行方式靈活、輸送容量大、可靠性高、雙極獨立運行等特點[3,7]。當前已投運的和正在規(guī)劃的雙極或多極柔性直流輸電系統(tǒng)有:ABB公司建立的Skagerrak 4 HVDC Light工程,該工程在原有的三極Skagerrak HVDC工程基礎上建立第4極,第4極線路采用VSC-HVDC系統(tǒng);非洲的Caprivi link工程連接330 kV和400 kV兩個交流電網的不對稱單極接地HVDC工程,未來將擴建為雙極柔性直流輸電工程;加拿大的Nelson River雙極直流工程;我國建成已投運的廈門±320 kV/1 000 MW雙極柔性直流輸電工程。
目前,有關柔性直流輸電系統(tǒng)雙極結構運行方式的文獻較少,文獻[3]中分析了三種結構的運行方式,包括對稱單極、不對稱單極和對稱雙極運行方式;文獻[8]提出了基于架空線路的直流雙極短路保護控制策略,并針對相應故障提出了保護控制和系統(tǒng)恢復方案。文獻[7]提出了柔性直流輸電系統(tǒng)雙極結構運行方式相比單極或偽雙極結構的優(yōu)勢,并且提出了基于雙極結構的線路可以應用于大容量架空線路。文獻[9]提出了由LCC和VSC組成的混合雙極高壓直流輸電系統(tǒng)的模型(hybrid bipolar high voltage direct current system,HB-HVDC),推導了其數(shù)學模型和運行特性,并設計了針對此系統(tǒng)的協(xié)調控制策略。文獻[10]提出了一種基于雙極兩電平和半模塊化多電平換流器的直流故障保護方法,這種方法可以有效解決續(xù)流晶閘管存在較大dv/dt問題。
以上研究均是針對雙極系統(tǒng)的結構分析、故障保護控制或混合雙極系統(tǒng)的運行特性而展開,缺少對雙極柔性直流輸電系統(tǒng)的運行特性研究與分析。本文在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了基于三相兩電平換流方式的雙極柔性直流輸電系統(tǒng),對其啟動方式、穩(wěn)態(tài)特性和故障模式進行了仿真。結果表明,基于單極不對稱VSC-HVDC系統(tǒng)搭建的雙端雙極對稱VSC-HVDC啟動過程平穩(wěn),驗證了模型和控制策略的有效性,在有功階躍和有功翻轉的情況下也能維持較好的穩(wěn)定性;在系統(tǒng)的整流側和逆變側發(fā)生三相短路接地故障時,雙端雙極四個控制器均能較快響應并調節(jié)系統(tǒng)運行狀態(tài),使其在故障后能迅速恢復穩(wěn)定運行;在系統(tǒng)正極直流線路斷線情況下,正極兩端的控制器能繼續(xù)維持系統(tǒng)兩端的參數(shù)運行在整定值,故障后0.05 s采用直流閉鎖措施,使正極推出運行,正極的一系列變化并沒有影響到負極的正常運行,驗證了正負極之間相對獨立性。
1.1雙極柔性直流輸電系統(tǒng)接線方式
對稱雙端雙極柔性直流輸電系統(tǒng)接線方式如圖1所示。S1和S2分別為兩端交流有源網絡,交流電壓等級為230 kV;m側為直流正極,直流電壓等級為230 kV;n側位直流負極,直流電壓等級為-230 kV;Tm1和Tm2分別為正極受端和送端的換流變壓器;Tn1和Tn2分別為正極受端和送端的換流變壓器;VSCm1、VSCm2、VSCn1、VSCn2分別是各端相互獨立的換流站。
圖1 對稱雙端雙極柔性直流輸電系統(tǒng)接線方式Fig.1 Connection mode of two terminal bipolar symmetric flexible DC transmission system
1.2雙極柔性直流輸電系統(tǒng)數(shù)學模型
本文研究的對稱雙端雙極柔性直流輸電系統(tǒng)是基于對稱雙端單極的三相兩電平的VCS-HVDC系統(tǒng)所搭建的,由于各VSC之間具有相對的控制和運行獨立性,本文以正極受端為例研究其數(shù)學模型,其電路拓撲結構如圖2所示。
圖2中,換流變壓器Tm1采用Y0/d等接線方式,其中Lm1是作為等效電感來等效表示相電抗器的元件,Rm1是作為等效電阻來等效表示電壓源換流器和相電抗器有功損耗的元件,Vsm1為交流系統(tǒng)的基波電壓,Em1為VSC對直流系統(tǒng)輸出的基波電壓,并對Em1采用SPWM調制方式進行調節(jié),Vsm1和Em1相差的角度為δm1,Psm1、Qsm1分別是交流系統(tǒng)向VSC注入的有功功率和無功功率。
圖2 單側VSC-HVDC電路拓撲Fig.2 One side VSC-HVDC circuit topology
經過SPWM環(huán)節(jié)的調節(jié),交流系統(tǒng)與直流側的關系為如式(1)所示,
(1)
式中:μ為直流電壓利用率,直流電壓利用率μ在工程上一般取值為0.8~1.0之間,本文取0.842;M為調制比,工程上一般取值為0.8~0.9,本文取0.85,由此可確定E取值為162 kV。
式(2)、(3)為VSC-HVDC的基本數(shù)學模型表達式,由dq坐標系解耦而得[8-13],目前已有很多文獻對此進行研究分析,本文只列出其最終模型。
(2)
dq坐標系下的Ps和Qs分別為
(3)
其中,交流側和直流側的兩個關鍵元件:相電抗器與直流電容器,起到傳輸系統(tǒng)有功功率和控制直流電壓的作用,分別可由式(4)、(5)求得
(4)
(5)
式中:τ為時間常數(shù),工程上一般取值為τ≤5 ms,本文取τ=4 ms,確定直流電容C的值為300 μF。
以上的單端單極VSC-HVDC系統(tǒng)模型可應用于四個不同的VSC當中,共同構建起雙端雙極對稱VSC-HVDC系統(tǒng),并可作為整個系統(tǒng)運行的依據(jù)。
本文采用基于dq坐標解耦控制的直接電流控制方式。對于雙端雙極對稱VSC-HVDC系統(tǒng),整流側(送端)正負極VSC均采用定有功控制和定無功控制,逆變側(受端)正負極VSC均采用定直流電壓控制和定無功控制。從系統(tǒng)邏輯層面劃分上來看,整個系統(tǒng)可分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)[17]。其中,控制系統(tǒng)按其能效高低可依次分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流閥級控制,因此由三個層次表示如圖3所示。
圖3 VSC-HVDC分層控制原理Fig.3 VSC-HVDC hierarchical control principle
VSC-HVDC的核心換流站級控制接收最高層系統(tǒng)級控制的Udcref、Pref、Qref、Vsref,并得到PWM信號的調制比M和移相角δ,提供給VSC閥級控制的觸發(fā)脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)。作為VSC-HVDC控制體系的核心,換流站級控制一般選用響應速度較快、易于控制的雙環(huán)控制,即外環(huán)電壓控制和內環(huán)電流控制。外環(huán)PI比例控制器通過系統(tǒng)電氣量與參考值間的偏差,調節(jié)輸出VSC-HVDC交流側電流參考值Idref和Iqref;內環(huán)PI控制器通過電流偏差,調節(jié)輸出VSC-HVDC換流站二次側電壓的目標值Edref和Eqref。VSC-HVDC的換流站級內外環(huán)控制器如圖4所示。PI環(huán)節(jié)的主要作用為對誤差的調校,將測量值與參考值相減所得誤差輸入PI環(huán)節(jié)后,經kp比例增益的放大,可方便處理誤差,處理后誤差再經過積分環(huán)節(jié)調整為實際誤差值后帶入運算。反映在曲線中,kp與ki共同決定了參數(shù)攀升的快慢,其中,kp主要決定了啟動系統(tǒng)時曲線攀升速率,而ki主要決定了誤差波動的大小和運行中曲線變化速率。
圖4 對稱雙極VSC-HVDC直接電流解耦控制原理Fig.4 Direct current decoupling control of two bipolar symmetric VSC-HVDC
雙端雙極對稱柔性直流輸電系統(tǒng)的拓撲結構與多端柔性直流輸電系統(tǒng)的拓撲結構相類似,但是在控制方法上卻不同,對于多端柔性直流輸電系統(tǒng),必須在多端中德一個VSC或MMC當中采用定直流電壓控制方式,該節(jié)點類似于潮流計算中的平衡節(jié)點一樣,作為整個直流系統(tǒng)的直流電壓和有功功率調節(jié)的參考節(jié)點。而在雙端雙極對稱甚至多極柔性直流輸電系統(tǒng)當中,每一極都要設置一個直流電壓控制方式,因為極與極之間存在相互獨立的運行關系,一個極設置了定直流電壓控制方式并不能為另一極的控制調節(jié)提供參考。
3.1系統(tǒng)參數(shù)
此系統(tǒng)有兩個不對稱單極VSC-HVDC構建而成,因此,正負極在結構和參數(shù)上均是對稱關系。針對圖1所示的雙端雙極對稱柔性直流輸電系統(tǒng)模型,設系統(tǒng)額定功率為1 000 MW,交流系統(tǒng)基準電壓為230 kV,SPWM調制環(huán)節(jié)當中的三角載波頻率取為2 kHz,各端相電抗器L為0.065 2 H,各端等值電阻為2 Ω,兩極直流線路上的直流電壓分別為±320 kV,直流電容C為300 μF,設系統(tǒng)初始狀態(tài)1側為逆變側(受端)、2側為整流側(送端),兩側均采用直接電流控制方法。初始狀態(tài)下,逆變側(受端)正負極的VSC均采用定直流電壓和定無功控制方式,整流側(送端)正負極的VSC均采用定有功和定無功控制方式,正負極各端具體PI控制參數(shù)見表1。
表1 對稱雙極VSC-HVDC系統(tǒng)PI控制參數(shù)
3.2系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性研究
本文在t=0 s時,同時啟動正極VSC-HVDC和負極VSC-HVDC,系統(tǒng)正負極的VSC2側此時運行在整流換流器狀態(tài)下,兩極向系統(tǒng)正負極輸送有功功率整定值均設為200 MW,直流電壓整定值分別設為320 kV和-320 kV。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,在t=1.5 s時,正極有功功率發(fā)生翻轉,從VSC2側經正極線路流向VSC1側的有功功率由200 MW翻轉至-100 MW;同時,負極輸送的有功功率由200 MW階躍至400 MW,仿真結果如圖5-6所示。其中,由于直流電壓波動較小,因此在有功功率翻轉和階躍時將兩極直流電壓放大,如圖5所示。
圖5 穩(wěn)態(tài)情況下對稱雙極VSC-HVDC直流電壓Fig.5 DC voltage of two bipolar symmetric VSC-HVDC under steady-state condition
圖6 穩(wěn)態(tài)情況下對稱雙極VSC-HVDC直流功率Fig.6 DC power of two bipolar symmetric VSC-HVDC under steady-state condition
從仿真結果中可以看出:
(1)雙端雙極對稱VSC-HVDC系統(tǒng)啟動過程較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)較大沖擊,系統(tǒng)直流功率在t=0.2 s左右即能達到穩(wěn)定運行狀態(tài),逆變側直流電壓在t=1 s以內也能達到穩(wěn)定運行狀態(tài),直流功率和直流電壓均能在直接電流控制器的調節(jié)下穩(wěn)定在整定值運行,驗證了dq解偶數(shù)學模型和直接電流控制策略的有效性。
(2)在t=1.5 s時,系統(tǒng)正極直流功率發(fā)生翻轉,整個翻轉過程在0.1 s內完成,翻轉過程結束后系統(tǒng)正極在控制器的作用下恢復穩(wěn)定運行狀態(tài),直流功率和直流電壓沒有出現(xiàn)較大波動,此時系統(tǒng)正極VSC2側由整流側變?yōu)槟孀儌龋銿SC1側則由逆變側變?yōu)檎鱾?。在t=1.5 s時,系統(tǒng)負極直流功率發(fā)生階躍,由200 MW階躍至400 MW,整個階躍過程在0.03 s內完成,階躍過程結束后,系統(tǒng)負極同樣在其控制器的作用下迅速恢復穩(wěn)定運行狀態(tài),直流功率和直流電壓沒有出現(xiàn)較大波動。
(3)由于系統(tǒng)元件和拓撲結構的限制,當單極系統(tǒng)輸送更大的功率時,更大的有功功率在穩(wěn)定運行時會出現(xiàn)較大波動,不能達到較為理想的穩(wěn)定運行狀態(tài),因此同時運行雙極系統(tǒng),可在不增加工程難度和更大規(guī)模投入的情況下實現(xiàn)更大規(guī)模的功率輸送,可達到原來單極線路輸送容量的2倍。
3.3系統(tǒng)暫態(tài)運行特性研究
本文在3.3.1節(jié)和3.3.2節(jié)中分別對雙端雙極對稱VSC-HVDC的整流側、逆變側發(fā)生三相短路接地故障和系統(tǒng)單極故障時另一極的系統(tǒng)運行特性進行仿真分析。
3.3.1整流側、逆變側母線三相短路接地故障
在t=1 s時設置整流側三相短路接地故障,t=1.5 s時設置逆變側三相短路接地故障,以上兩個故障均持續(xù)0.05 s,仿真結果如圖7-9所示。其中,由于逆變側故障時直流電壓波動較小,因此將故障時刻的兩極直流電壓放大,如圖7所示,并且由于逆變側故障時直流功率幾乎沒有變化,因此不予放大。
圖7 交流故障情況下對稱雙極VSC-HVDC直流電壓Fig.7 DC voltage of two bipolar symmetric VSC-HVDC under AC side fault conditions
圖8 交流故障情況下對稱雙極VSC-HVDC直流功率Fig.8 DC power of two bipolar symmetric VSC-HVDC under AC side fault conditions
圖9 交流故障情況下對稱雙極VSC-HVDC交流電壓Fig.9 AC voltage on both sides of two bipolar symmetric VSC-HVDC under AC side fault condition
從仿真結果中可以看出:
不論對于整流側三相短路接地故障還是逆變側三相短路接地故障,當故障發(fā)生時,系統(tǒng)直流電壓、有功功率和交流電壓均出現(xiàn)下降趨勢,經過0.05 s故障切除后,在控制器的調節(jié)作用下各參數(shù)均開始出現(xiàn)恢復趨勢,并較快地達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。在整流側故障時,兩極有功功率和整流側交流電壓都出現(xiàn)了較大的降低幅度,兩極直流電壓出現(xiàn)一定的波動,逆變側交流電壓沒有出現(xiàn)波動;在逆變側故障時,兩極的直流電壓和有功功率僅出現(xiàn)了極小幅度的波動,整流側交流電壓沒有出現(xiàn)波動,只有逆變側的交流電壓出現(xiàn)較大幅度的下降??梢钥闯觯诖祟惞收蠗l件下,雙端雙極對稱VSC-HVDC具有較強的調節(jié)能力和較快的恢復速度。
3.3.2單極直流線路斷線故障
在t=1 s時設置直流線路正極開路,故障持續(xù)0.05 s,仿真結果如圖10-11。其中,在圖10當中標注了換流變壓器直流側電流的變化,以確定直流線路的開斷。
圖10 直流斷路情況下對稱雙極VSC-HVDC直流電壓Fig.10 AC voltage on both sides of two bipolar symmetric VSC-HVDC under DC circuit breaker fault condition
圖11 直流斷路情況下對稱雙極VSC-HVDC直流功率Fig.11 DC power of two bipolar symmetric VSC-HVDC under DC circuit breaker fault condition
從仿真結果中可以看出:
在t=1 s正極直流線路發(fā)生故障時,正極直流線路斷開,其上流動的電流變?yōu)?。但是由于正極兩端控制器的調節(jié)作用,故障后的逆變側VSC工作狀態(tài)轉變?yōu)镾TATCOM模式,繼續(xù)維持無功功率的輸出和直流電壓的幅值,整流側則通過VSC繼續(xù)從系統(tǒng)中向直流側輸送有功整定值200 MW,在斷線且沒有足夠負荷來消耗這部分有功功率的情況下,這部分有功功率勢必會由相應端口的全控型器件和線路阻抗承擔,這將會對系統(tǒng)穩(wěn)定運行造成影響。
本文在故障發(fā)生后的的0.05 s,即t=1.05 s時,移除觸發(fā)脈沖并設置正極雙端12個觸發(fā)端子的輸入信號為0,即令正極在t=1 s的直流斷線故障后實行直流閉鎖保護措施,使正極直流線路停,并利用正極負極相互獨立的性質,依靠負極線路維持系統(tǒng)運行,仿真結果如圖12-13所示。
圖12 直流閉鎖情況下正極直流電壓Fig.12 The positive DC voltage under DC blocking
圖13 直流閉鎖情況下兩極有功功率Fig.13 Two pole active power under DC blocking
從仿真結果中可以看出:
在t=1.05 s正極線路實施直流閉鎖保護措施,正極線路流動有功功率經約0.1 s達到0 MW,實現(xiàn)了VSC2正極整流側的閉鎖。理論上,線路兩端同時實施線路閉鎖措施,兩端參量應該都降為0,VSC2側的有功功率驗證了這一點,而VSC1正極逆變側的直流電壓卻由于啟動過程后直流電容的充電作用及閉鎖后的維持電壓的作用,正極直流電壓隨時間緩慢下降。從圖12-13也可以看出,正極直流線路發(fā)生斷線故障及0.05 s后的直流閉鎖措施均沒有對負極線路的穩(wěn)定運行造成影響,驗證了雙極相互獨立運行特性并提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。
本文研究分析了雙端雙極對稱對稱VSC-HVDC的系統(tǒng)結構,建立了系統(tǒng)數(shù)學模型并設計了系統(tǒng)控制策略。在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性和暫態(tài)運行特性進行了研究分析,并對正極直流線路斷線故障實施了閉鎖措施。
本文的主要結論如下:
(1)在系統(tǒng)啟動和階躍情況下,系統(tǒng)具有良好的啟動特性和穩(wěn)態(tài)運行特性,驗證了系統(tǒng)模型和控制方式的有效性,并且輸送容量可以穩(wěn)定達到同樣參數(shù)結構單極線路的2倍。
(2)在系統(tǒng)故障情況下,控制器的調節(jié)控制作用可以使系統(tǒng)保持較好的暫態(tài)運行特性,在正極斷線故障后實施直流閉鎖情況下,負極依然能維持正常運行狀態(tài),驗證了正負極的相互獨立性。
(3)由于系統(tǒng)元件和拓撲結構的限制,當本系統(tǒng)輸送更大的功率時,直流有功功率在穩(wěn)定運行時會出現(xiàn)較大波動,不能達到較為理想的穩(wěn)定運行狀態(tài),為了使系統(tǒng)輸送更多的功率和達到更為理想的運行狀態(tài)需要針對基于多電平MMC換流器的雙極甚至多極柔性直流輸電系統(tǒng)進行更深入的研究。
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Study on Operation Characteristics of Bipolar Symmetric Flexible DC Transmission System
ZHAO Lang1, AI Xin1, LAI Baizhu1, WANG Pan1, LIN Zhangsui2, LIN Yi2
(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Economic and Technological Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Company, Fuzhou 350000, China)
The flexible DC transmission system is gradually developed to bipolar and even multi-pole operation structure from the bipolar or pseudo bipolar structure since the its transmission capacity has been improved and the power grid demands a higher level of its reliability. In this paper, a two terminal bipolar symmetric VSC-HVDC system is built on the base of single pole asymmetric VSC-HVDC system, the mathematical model of the system is established, and the operation control strategy of the system is designed. Under the condition of PSCAD/EMTDC, the operation characteristics of the system in steady-state and transient-state are studied and analyzed respectively, and blocking measures are taken when there are disconnection faults of the positive DC line. The results show that the system boasts good starting characteristics and steady-state characteristics, which verifies the validity of the system model. Under the condition of fault, the system can maintain good transient-state characteristics. The negative electrode operates normally in the case of positive DC blocking, and the independence of the positive and negative poles can be verified.
flexible DC transmission; symmetrical and bipolar; operation characteristics; control strategy
10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.04.03
2015-08-02.
國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2015AA050102).
趙朗(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制;艾欣(1964-),男,教授,博士生導師,主要研究方向為新能源電力系統(tǒng);賴柏竹(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制;王攀(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制;林章歲(1964-),男,高級工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃;林毅(1985-),男,工程師,主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃。
TM721
A
1007-2691(2016)04-0014-07