陳宇豪，王 磊，楊 宇，米芝昌，曹國棟,韓肖清

(1.電力系統(tǒng)運行與控制山西省重點實驗室(太原理工大學(xué))，山西 太原 030024;2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001)

風(fēng)儲直流微網(wǎng)孤島運行控制研究

陳宇豪1，王 磊1，楊 宇2，米芝昌1，曹國棟1,韓肖清1

(1.電力系統(tǒng)運行與控制山西省重點實驗室(太原理工大學(xué))，山西 太原 030024;2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001)

針對偏遠地區(qū)電力資源缺乏且風(fēng)能充足的特點，設(shè)計了一種孤島運行的小型風(fēng)儲直流微網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙極性直流母線結(jié)構(gòu)，降低了母線對地電壓，同時滿足各種變換器和負(fù)荷對不同電壓等級的要求，使系統(tǒng)更加安全可靠。利用電壓平衡器保證了正負(fù)母線電壓平衡，并分別設(shè)計了風(fēng)力發(fā)電單元和混合儲能單元(hybrid energy storage system，HESS)在不同工況下的最優(yōu)工作方式。將該小型風(fēng)儲直流微網(wǎng)系統(tǒng)運行分為五種模式，通過對風(fēng)機、混合儲能以及負(fù)荷進行協(xié)調(diào)控制，確保直流母線電壓的穩(wěn)定和負(fù)荷的可靠供電。最后通過仿真驗證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和控制策略的可行性。

直流微網(wǎng)；雙極性結(jié)構(gòu)；協(xié)調(diào)控制；電壓平衡器；混合儲能系統(tǒng)(HESS)

0 引言

直流微網(wǎng)作為新的能源結(jié)網(wǎng)形式成為研究熱點[1-2]。以直流微網(wǎng)集成風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電單元、儲能單元及本地負(fù)荷，一方面可以解決偏遠地區(qū)用電需求，減少傳統(tǒng)大電網(wǎng)架構(gòu)的投入和對環(huán)境的破壞，同時實現(xiàn)可再生能源的高效利用，并與國家實施全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略保持一致[3-6]。因此，對小型直流微網(wǎng)獨立運行控制的研究具有重要意義。

文獻[7]中的風(fēng)電直流微網(wǎng)與交流電網(wǎng)連接，主要考慮主網(wǎng)對子網(wǎng)的影響，并沒有對孤島運行深入研究。文獻[8]從能量管理的角度對一種風(fēng)-柴-氫偏遠地區(qū)的供電系統(tǒng)進行研究，母線電壓受風(fēng)速影響波動較大，并且沒有對各單元運行方式進行分析。文獻[9]采用了低壓雙極性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過實驗驗證了該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與優(yōu)越性，為雙極性結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但沒有考慮各單元間的協(xié)調(diào)控制。

本文設(shè)計了一種孤島運行的小型風(fēng)儲雙極性直流微網(wǎng)系統(tǒng)，可以解決偏遠地區(qū)的供電短缺問題。電壓平衡器優(yōu)化了母線電壓，減少了能量轉(zhuǎn)換的消耗；風(fēng)力發(fā)電單元根據(jù)工況采用最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)、恒功率和限功率恒壓這3種運行模式；混合儲能單元根據(jù)電壓采用不動作、下垂控制和恒流充放電這3種運行狀態(tài)。設(shè)計了系統(tǒng)運行時的5種工作模式，通過仿真搭建風(fēng)儲直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，驗證了提出的協(xié)調(diào)控制策略可以在直流母線電壓波動時保證系統(tǒng)在各模式間平滑切換，實現(xiàn)穩(wěn)定運行和能量的高效利用。

圖1 風(fēng)儲直流微網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind power and energy storage DC Microgrid

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1描述了本文設(shè)計的孤島運行的風(fēng)儲直流微網(wǎng)系統(tǒng)。直流母線采用雙極性結(jié)構(gòu)，通過中性線接地，降低了母線對地電壓，使直流微網(wǎng)更加安全和可靠。

(1) 電壓平衡器：由于末端負(fù)荷不平衡，容易造成正負(fù)母線電壓不能穩(wěn)定在額定值，電壓平衡器不僅能夠保證負(fù)荷的可靠供電，而且可以平抑輸出端電壓的波動，維持電壓穩(wěn)定[10]。

(2) 風(fēng)力發(fā)電單元：Boost斬波型變換器成本低，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性高，并能在一定風(fēng)速范圍內(nèi)實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，因此選取二極管整流橋與Boost變換器作為風(fēng)機側(cè)變流器[11-12]。

(3) 混合儲能單元：由于風(fēng)機的間歇性和隨機性，還需配置儲能環(huán)節(jié)用以協(xié)調(diào)直流母線電壓穩(wěn)定與功率平衡[13]。鋰電池和超級電容儲能裝置具有較好的互補特點，通過控制鋰電池吸收或釋放低頻功率，超級電容吸收或釋放高頻功率，可以抑制負(fù)載突變對直流母線造成的沖擊。本文采用鋰電池和超級電容器級聯(lián)方式的混合儲能單元，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行[14]。

(4) 本地負(fù)荷單元：直流負(fù)荷通過DC-DC變換器接入直流微網(wǎng)，單相或三相負(fù)荷通過DC-AC變換器接入微網(wǎng)，用來滿足各種用電設(shè)備的需求。

2 各單元控制與運行模式

2.1 電壓平衡器

本文采用的電壓平衡器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。其中，Udc為電壓平衡器的輸入電壓，即直流正負(fù)母線之間的電壓；Up、Un分別為電容C1、C2上的電壓，即直流正負(fù)母線對地電壓；開關(guān)S1、S2分別控制上下橋臂通斷；iL為流過平衡電感L的電流。電壓平衡器具體控制如圖2(b)所示。該控制策略能夠有效實現(xiàn)電壓平衡，在穩(wěn)定負(fù)荷電壓的同時，提高負(fù)荷供電質(zhì)量。

2.2 風(fēng)力發(fā)電單元

該單元存在3種運行模式，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，工作于MPPT模式；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，工作于恒功率輸出模式；當(dāng)直流母線電壓過高時，工作于限功率恒壓模式。

圖2 電壓平衡器的拓?fù)浼翱刂艶ig.2 The topology and control of voltage balancer

(1) 在額定風(fēng)速以下時，對于定槳距(β=0°)風(fēng)電機組，風(fēng)能利用系數(shù)CP(β,λ)僅為關(guān)于葉尖速比λ的函數(shù)，故當(dāng)風(fēng)機運行于MPPT模式時，風(fēng)機捕獲風(fēng)功率為Pw為：

Pw=0.5ρ πR2v3Cpmax

(1)

式中：ρ為空氣密度;R為風(fēng)輪半徑;v為風(fēng)速;Cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)。

同時葉尖速比存在關(guān)系，

(2)

式中：n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;ωr為風(fēng)輪角速率。

將(2)帶入(1)并運行于MPPT模式時，風(fēng)機的最優(yōu)輸出功率Pwopt為：

(3)

對于永磁同步發(fā)電機，其相電動勢E與角速率ωe存在線性關(guān)系，同樣對應(yīng)于風(fēng)輪角速率ωr，即：

E=Keωe=Keωr

(4)

式中Ke為E與ωe之間的比例系數(shù)[15]。

基于發(fā)電機外特性，不計發(fā)電機繞組的電阻和電抗，考慮發(fā)電機機械角速率與電角速率、二極管整流橋電壓整流前后的變換關(guān)系，DC-DC 升壓電路的輸入電壓Uin與風(fēng)輪角速率ωr存在線性關(guān)系，即

Uin=Kωωr

(5)

式中Kω為Uin與ωr之間的比例系數(shù)。

假設(shè)從風(fēng)機捕獲的功率到整流器輸出功率的過程中，不考慮損耗，則DC-DC 升壓電路的輸入電流iin與輸入電壓Uin的關(guān)系為：

(6)

式中K為iin與Uin之間的比例系數(shù)。

(2) 在額定風(fēng)速之上時，通過改變發(fā)電機的輸出功率，使得風(fēng)機進入失速區(qū)運行，降低風(fēng)能利用系數(shù)，達到機組較少捕獲功率的目的，使機組運行于恒功率工作模式，此時輸入電流iin與輸入電壓Uin存在關(guān)系：

(7)

式中PwN為風(fēng)機的額定輸出功率。

(3) 當(dāng)直流母線電壓Udc超過限值時，如果風(fēng)機繼續(xù)以MPPT或恒功率方式運行，會導(dǎo)致Udc持續(xù)升高，系統(tǒng)功率過度盈余，此時應(yīng)限制風(fēng)機的輸出功率，穩(wěn)定直流母線電壓。

本文通過檢測DC-DC 升壓電路的輸入電壓和電流，調(diào)整占空比實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤或恒功率輸出；通過控制直流母線電壓恒定，實現(xiàn)限功率恒壓輸出，并可以進行模式切換，具體控制如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電單元控制框圖Fig.3 Control block diagram of WECS

2.3 混合儲能單元

為實現(xiàn)功率型和能量型儲能器件優(yōu)勢互補，提升儲能系統(tǒng)的性能，采用鋰電池和超級電容器以級聯(lián)方式接入直流母線。

本文設(shè)計超級電容器優(yōu)先充放電，作為功率緩沖器，平衡母線電壓；鋰電池是主要的能量來源，調(diào)節(jié)超級電容器的荷電狀態(tài)，并輔助調(diào)節(jié)母線電壓。圖4為提出的混合儲能系統(tǒng)控制框圖，其中Udc為直流母線電壓實際值，Usc、isc為超級電容器的出口側(cè)電壓和電流，ib為鋰電池的出口側(cè)電流，qSOC是鋰電池的荷電狀態(tài)，Udc _ref、Usc_ref為直流母線電壓和超級電容器端電壓的額定值。

圖4 混合儲能單元控制框圖Fig.4 Control block diagram of HESS

圖5 儲能下垂特性曲線Fig.5 Droop curve of energy storage

圖5為儲能裝置的i-U下垂特性曲線。Uref為額定電壓參考值；UH1、UL1為儲能裝置的動作閾值，超級電容器UH1, L1=Udc_H1, L1=Udc_ref±ΔUdc，ΔUdc為可接受的直流母線電壓波動范圍，鋰電池UH1,L1=Usc_H1, L1=Usc_ref±ΔUsc，ΔUsc為可接受的超級電容器端電壓波動范圍；ilimit為儲能裝置的充放電電流限制；UH2、UL2分為對應(yīng)儲能裝置達到充放電限值時的電壓閾值，超級電容器和鋰電池分別對應(yīng)Udc_H2, L2和Usc_H2, L2；m為儲能裝置的下垂系數(shù)。對應(yīng)下垂系數(shù)公式，可求得儲能裝置充放電電流表達式為：

(8)

本文將儲能元件的工作分為3個運行狀態(tài)：當(dāng)UL1UH2或U

對應(yīng)于超級電容器，當(dāng)Udc_L1

運行狀態(tài)的劃分同理對應(yīng)于鋰電池。為防止過度充放電對鋰電池的影響，采集其荷電狀態(tài)qSOC，保證安全運行。

3 基于直流母線電壓的直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

對于直流微網(wǎng)中各類型的變換器，控制系統(tǒng)中穩(wěn)定的母線電壓是其運行的關(guān)鍵。但風(fēng)機輸出功率變化以及負(fù)荷消耗功率變化都會引起直流母線電壓的波動。系統(tǒng)中存在的功率平衡關(guān)系為：

Pwind+Phess=Pload

(9)

式中：Pwind、Phess分別為風(fēng)力發(fā)電單元和混合儲能單元向直流母線輸送的功率；Pload為負(fù)荷消耗的功率。

本文提出的協(xié)調(diào)控制策略是：根據(jù)直流母線電壓將系統(tǒng)分為不同的運行模式，在不同的模式下合理調(diào)節(jié)各單元的工作方式以使系統(tǒng)在不同工況下都能穩(wěn)定運行。各單元具備即插即用功能，無需相互通信，簡化了控制的復(fù)雜性，提高了實時性，快速實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡和電壓穩(wěn)定。

設(shè)定系統(tǒng)運行開始時，各單元處于良性工作區(qū)域，具體控制策略如圖6所示。

圖6 直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of coordinated control of DC microgrid

在模式1中，直流母線電壓Udc允許變化范圍是UL1到UH1，風(fēng)力發(fā)電單元采用MPPT控制。當(dāng)風(fēng)機輸出功率或負(fù)荷消耗功率出現(xiàn)小波動時，為防止儲能裝置的頻繁動作，設(shè)置該模式下混合儲能不動作，允許直流母線電壓小范圍波動。

3.2 模式2/模式3

當(dāng)風(fēng)機輸出功率或負(fù)荷消耗功率波動導(dǎo)致直流母線電壓波動超過UH1, L1，需要混合儲能系統(tǒng)投入工作來平抑功率波動。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電單元輸出功率較大或負(fù)荷較輕時，此時系統(tǒng)的功率平衡關(guān)系變?yōu)椋?/p>

Pwind+Phess>Pload

(10)

系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)功率盈余，直流母線電壓上升到模式2的電壓區(qū)間(UH1

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電單元輸出功率較小或負(fù)荷較重時，母線電壓波動范圍在UL2

Pwind+Phess

(11)

與模式2類似，HESS通過釋能來彌補功率缺額：超級電容器優(yōu)先進行放電，當(dāng)其端電壓下降至Usc_L1時，鋰電池開始動作，工作在放電模式。

心臟彩超為無創(chuàng)傷性，不會損傷患者，同時可將心臟舒張和收縮功能直觀體現(xiàn)，患者的心腔結(jié)構(gòu)、心臟搏動和血流動力學(xué)變化會動態(tài)顯示，與心功能分級結(jié)合后可對病情的判定奠定基礎(chǔ)，從而使診斷準(zhǔn)確率顯著提升。此次數(shù)據(jù)中，研究組患者LVM、LIMI、LVESD、LVEDD、LAD顯著高于參照組LVEF、LVFS和E/Ea低于參照組，組間數(shù)據(jù)比對判定有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。說明左心衰竭會將心肌損害和重構(gòu)程度加重，從而損害心功能。

3.3 模式4/模式5

當(dāng)HESS 超過安全的運行區(qū)域，為保護裝置，HESS退出運行，系統(tǒng)失去調(diào)節(jié)功率的能力。若直流母線電壓高于UH2，系統(tǒng)進入模式4，此時風(fēng)力發(fā)電單元輸出功率大于負(fù)荷總需求。為防止母線電壓持續(xù)升高，風(fēng)力發(fā)電單元應(yīng)減少功率輸出，從MPPT控制或恒功率控制變?yōu)橄薰β屎銐嚎刂?，穩(wěn)定母線電壓。

若直流母線電壓低于UL2，系統(tǒng)進入模式5。此時風(fēng)力發(fā)電單元輸出功率小于負(fù)荷總需求，為防止電壓崩潰，需要根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級切除負(fù)荷，保證重要負(fù)荷的供電安全，直至系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 仿真驗證與結(jié)果分析

為驗證本文所提控制策略，采用Matlab/Simulink軟件進行仿真。仿真參數(shù)如下：風(fēng)機的額定輸出功率3 kW(額定風(fēng)速vN=12 m/s，空氣密度ρ=1.2 kg/m3)；直流母線電壓額定值400 V，鋰電池組的額定電壓128 V，容量40 A·h；超級電容器組的額定電壓380 V，容量58 F。

根據(jù)直流母線額定電壓Udc_ref=400 V，設(shè)置ΔUdc=5 V，故超級電容器的動作閾值為：Udc>405 V時充電，Udc<395 V時放電；同時設(shè)置Udc_H2=420 V，Udc_ L2=380 V。

設(shè)置超級電容器的工作電壓為70～330 V，取Usc_ref=200 V，ΔUsc=60 V，故鋰電池的動作閾值為：Usc>260 V時充電，Usc<140 V時放電。

4.1 模式1

圖7 模式1系統(tǒng)運行狀態(tài)Fig.7 System operation state in model 1

圖8 模式2系統(tǒng)運行狀態(tài)Fig.8 System operation state in model 2

當(dāng)395 V

當(dāng)直流母線電壓波動在+3 V或-4 V時，未超過閾值，為減少損耗和頻繁切換，設(shè)置HESS不動作，兩者充放電電流均為0，如圖7(c)所示。

4.2 模式2/模式3

模式2：當(dāng)405 V≤Udc≤420 V時，系統(tǒng)運行在模式2，風(fēng)電單元處于MPPT控制模式，輸出功率大于負(fù)荷消耗功率，引起母線電壓上升，達到HESS工作條件，開始投入運行。

當(dāng)直流母線上升至408 V時，超級電容器開始投入運行，充電電流不斷增大，達到限值時以5 A恒流充電，限制了直流母線電壓的持續(xù)上升。隨著超級電容器的不斷充電，其端電壓也在持續(xù)上升，當(dāng)Usc=260 V時，達到鋰電池的動作條件Usc_H1，鋰電池充電電流平滑增大，限制了超級電容器端電壓的持續(xù)上升，此時超級電容器充電電流不斷減小，直流母線電壓平穩(wěn)限定在405 V，如圖8所示。鋰電池和超級電容器協(xié)調(diào)配合，吸收盈余功率，起到調(diào)節(jié)直流母線電壓的作用。

模式3：當(dāng)380 V≤Udc≤395 V時，系統(tǒng)運行在模式3，風(fēng)電單元仍處于MPPT模式，輸出功率小于負(fù)荷消耗功率，直流母線電壓下降，HESS投入運行。

當(dāng)直流母線下降至390 V時，超級電容器首先放電，電流不斷增大，達到限值時以5 A恒流運行，限制了直流母線電壓的持續(xù)下降。隨著超級電容器的繼續(xù)放電，端電壓隨之下降。當(dāng)Usc_L1=140 V時，鋰電池投入運行，充電電流平滑增大，限制了超級電容器端電壓的持續(xù)下降，此時超級電容器放電電流不斷減小，直流母線電壓平穩(wěn)限定在394 V左右，如圖9所示。通過兩者的配合，穩(wěn)定了直流母線電壓。

圖9 模式3系統(tǒng)運行狀態(tài)Fig.9 System operation state in model 3

4.3 模式4/模式5

模式4：當(dāng)Udc>420 V，系統(tǒng)進入模式4，超級電容器電壓達到最高工作限制Usc_H2=330 V時，退出運行，鋰電池以5 A電流恒流充電，當(dāng)qSOC=90%時，鋰電池也退出運行。此時直流母線電壓上升至430 V，通過改變風(fēng)機的運行模式，升壓電路的輸入電壓降為226 V，輸入電流降為9.6 A；母線電壓被控制在418 V，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，如圖10所示。

圖10 模式4系統(tǒng)運行狀態(tài)Fig.10 System operation state in model 4

模式5：當(dāng)Udc<380 V時，系統(tǒng)進入模式5，此時超級電容器電壓達到最低工作限制Usc_L2=70 V，退出運行，只有鋰電池以5 A電流恒流放電，當(dāng)qSOC=20%時，鋰電池也退出運行。此時直流母線電壓下降至373 V，而通過及時逐次切除負(fù)荷，母線電壓回到383 V，確保系統(tǒng)運行，如圖11所示。

圖11 模式5系統(tǒng)運行狀態(tài)Fig.11 System operation state in model 5

5 結(jié)論

針對偏遠地區(qū)風(fēng)能充足的特點，本文設(shè)計了一種由風(fēng)力發(fā)電單元、電壓平衡器、混合儲能單元及本地負(fù)荷單元構(gòu)成的孤島運行的小型風(fēng)儲雙極性直流微網(wǎng)系統(tǒng)，并通過Matlab/Simulink仿真驗證，得出如下結(jié)論：

(1) 系統(tǒng)采用雙極性直流母線結(jié)構(gòu)，可以滿足各類用電設(shè)備對不同電壓等級的要求，使微網(wǎng)更加可靠；風(fēng)力發(fā)電單元能夠根據(jù)不同工況在各模式間平滑切換；混合儲能單元能夠結(jié)合超級電容器和鋰電池的特性合理安全運行。

(2) 根據(jù)直流母線電壓將系統(tǒng)運行劃分為5種工作模式，通過對直流微網(wǎng)各單元進行協(xié)調(diào)控制，確保了母線電壓的穩(wěn)定和負(fù)荷的可靠供電，實現(xiàn)了風(fēng)儲微網(wǎng)在各工況下的穩(wěn)定運行。

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Study on Autonomous Operation and Control of Wind Power and Energy Storage DC Microgrid

CHEN Yuhao1, WANG Lei1, YANG Yu2, MI Zhichang1, CAO Guodong1, HAN Xiaoqing1

(1. Shanxi Key Laboratory of Power System Operation and Control(Taiyuan University of Technology)，Taiyuan 030024, Shanxi Province, China;2. State Grid Shanxi Electric Power Corporation, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China)

This paper designs a small-scale wind power and energy storage DC microgrid system operating in autonomous conditions, in view of the shortage of power energy and the abundance of wind energy at remote areas. The bipolar-type distribution system can reduce the bus voltage to the ground and meet the requirements of various converters and loads. The voltage balancer contributes to balance the bus voltage between the positive and negative values. The wind turbine and hybrid energy storage system (HESS) operate in optimal models with different conditions. The system operation is divided into five patterns, and also the wind turbine, HESS and loads are coordinated controlled, which can ensure the stability of the DC bus voltage and the reliability of the power supply. The simulation results validate that this system operation is reliable and the control strategy is effective.

DC microgrid; bipolar-type; coordinated control; voltage balancer; hybrid energy storage system(HESS)

陳宇豪

TK82;TM721

A

2096-2185(2016)01-0040-07

山西省煤基重點科技攻關(guān)項目(MD2014-06)；山西省回國留學(xué)人員科研資助項目(2015-重點1)

2016-04-30

陳宇豪(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為直流微電網(wǎng)運行與控制，微電網(wǎng)及新能源技術(shù)， chenyuhao0189@163.com；

王磊(1985—)，男，博士研究生，研究方向為電力電子變換器及其控制策略,tywanglei1985@126.com；

楊宇(1975—)，男，博士，工程師，研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制,ty_yangyu@163.com；

米芝昌(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)運行與控制、新能源發(fā)電技術(shù),mizhichang525@sina.com；

曹國棟(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為交直流混合微電網(wǎng)、微電網(wǎng)控制方式,cgddiscovery@163.com；

韓肖清(1964—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、微電網(wǎng)及新能源技術(shù)等， hanxiaoqing@tyut.edu.cn。

Project supported by Shanxi Key Projects of Coal Based Science and Technology(MD2014-06)； Shanxi Scholarship Council of China(2015-key project 1)