微電網(wǎng)中微電源組合與容量配置優(yōu)化

周曉燕，劉天琪

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

微電網(wǎng)中微電源組合與容量配置優(yōu)化

周曉燕，劉天琪

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

針對(duì)風(fēng)光資源都比較豐富的北方某試點(diǎn)鄉(xiāng)的實(shí)際氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，基于可再生能源混合優(yōu)化模型HOMER（hybrid optimizationmodel for electric renewables）設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，建立并優(yōu)化了風(fēng)光蓄發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及二者的混合系統(tǒng)3種孤網(wǎng)模型。在滿足各項(xiàng)約束、負(fù)荷可靠供電及各微電源成本的基礎(chǔ)上，將環(huán)境保護(hù)、社會(huì)效益以及用戶效益分別對(duì)應(yīng)量化為排污懲罰成本、容量短缺成本和實(shí)際停電率等指標(biāo)。以最小上述指標(biāo)為目標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，對(duì)比了3種不同規(guī)劃方案的利弊，從而得出了適合該地區(qū)的最優(yōu)方案。

微電網(wǎng)；混合發(fā)電系統(tǒng)；微電源組合；優(yōu)化配置；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

許多農(nóng)牧地區(qū)、偏遠(yuǎn)山區(qū)和部分海島所擁有的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組損耗大、效率低、運(yùn)行費(fèi)用高并且污染嚴(yán)重，面臨停運(yùn)或拆除。而要形成一定規(guī)模的、強(qiáng)大的集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和很長(zhǎng)的時(shí)間。分布式發(fā)電方式靈活、建設(shè)周期短、環(huán)境友好和抗自然災(zāi)難性強(qiáng)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)供電[1～3]。發(fā)改委和電監(jiān)會(huì)鼓勵(lì)以清潔高效為前提，因地制宜開(kāi)發(fā)建設(shè)各種微電源，可再生能源利用、節(jié)能和環(huán)保也被列入了國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展計(jì)劃和“十一五”發(fā)展規(guī)劃中。而微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)是所有后續(xù)作業(yè)的基礎(chǔ)，合理選擇并優(yōu)化微電源的組合和容量十分重要。

文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)討論了光柴蓄系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并分析了農(nóng)村地區(qū)的高價(jià)柴油和有無(wú)蓄電池對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃方案的影響。但在所建立的混合系統(tǒng)中，各微電源容量均為固定值并無(wú)選擇范圍，因此可能另存匹配該地負(fù)荷的最佳組合。從仿真結(jié)果可知所選蓄電池容量過(guò)小，棄光現(xiàn)象也較為嚴(yán)重；文獻(xiàn)[5]針對(duì)伊拉克的小診所和學(xué)校設(shè)計(jì)了光蓄系統(tǒng)模型，各微電源均有選容范圍，可采用的系統(tǒng)組合情況較多，還著重討論了柴油價(jià)格和電力工業(yè)基準(zhǔn)收益率為敏感性分析變量時(shí)，分別對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃成本的影響。但二者均未考慮停電損失和排污懲罰；文獻(xiàn)[6]建立了最小化投資成本、最小化配電網(wǎng)網(wǎng)損和最大化靜態(tài)電壓穩(wěn)定性等多目標(biāo)的優(yōu)化配置模型；文獻(xiàn)[7]在分布式電源單個(gè)容量、個(gè)數(shù)和位置不確定的情況下，建立了分布式電源的位置和容量的優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[8]提出了一種使含多種微電源的發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本最低的機(jī)組組合模型，較為全面地分析了所述微電源的各種調(diào)度策略，并將各種合理調(diào)度策略加以組合，求出發(fā)電成本最小的最優(yōu)方案。

本文采用文獻(xiàn)[8]所提的蓄電池平衡能量的調(diào)度方式，配合風(fēng)光出力情況充放電，起到穩(wěn)定風(fēng)光輸出兼儲(chǔ)能的作用。主要目標(biāo)是在某風(fēng)光資源都比較豐富的農(nóng)村地區(qū)設(shè)計(jì)一個(gè)孤網(wǎng)運(yùn)行的混合微電源發(fā)電系統(tǒng)，利用各種微電源的互補(bǔ)性，解決規(guī)劃地區(qū)電能供應(yīng)不足、電能質(zhì)量差的問(wèn)題，并有望逐漸降低對(duì)不可再生能源的依賴度與污染氣體排放量。考慮到現(xiàn)在中國(guó)大部分偏遠(yuǎn)地區(qū)仍采用柴油發(fā)電機(jī)，本文利用實(shí)際風(fēng)光、負(fù)荷和微源成本數(shù)據(jù)建立了風(fēng)光蓄發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及其二者的混合系統(tǒng)等3種模型。在滿足各項(xiàng)約束、負(fù)荷可靠供電和計(jì)及各微電源成本的的基礎(chǔ)上將環(huán)境效益、社會(huì)效益以及用戶效益量化為排污懲罰、容量短缺懲罰以及實(shí)際停電率，以最小化凈現(xiàn)值、最小化能源成本、最小化排污量、最小化年容量短缺量和最小化年停電率為目標(biāo)，在可再生能源混合模型HOMER（hybrid optimizationmodel for electric renewables）上進(jìn)行了仿真優(yōu)化，綜合評(píng)估3種不同規(guī)劃方案，從而得出適合該地區(qū)的最優(yōu)方案。

1 地區(qū)自然資源與負(fù)荷數(shù)據(jù)

該試點(diǎn)鄉(xiāng)位于河北東南部，屬于Ⅰ級(jí)風(fēng)能豐富區(qū)，被列為國(guó)家級(jí)風(fēng)力發(fā)電基地。當(dāng)?shù)啬贻椛淇偭扛哂? 000MJ/m2，屬于我國(guó)太陽(yáng)能輻射表中的三類地區(qū)（接近二類地區(qū)），太陽(yáng)能資源也較豐富。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶纸y(tǒng)計(jì)，年平均輻照度為4.5 kW·h/m2，年平均風(fēng)速達(dá)4.85m/s。

根據(jù)調(diào)查，該試點(diǎn)村的年最大負(fù)荷接近70 kW，日負(fù)載接近200 kW·h/d。仿真研究中取可能出現(xiàn)的年最大負(fù)荷為63 kW，日平均負(fù)荷為192 kW·h/d。

2 孤網(wǎng)內(nèi)各元件的配置和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.1 HOMER中的混合發(fā)電系統(tǒng)

在HOMER中所建立的3種方案的發(fā)電系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 3種方案的系統(tǒng)示意Fig.1 Sketchmap of three systems

2.2 光伏組件配置

2011年光伏組件的成本見(jiàn)表1。考慮到其成本較高，因此容量選擇范圍為15～55 kW，生命周期為20 a，基本不排放任何污染氣體。

表1 光伏組件的成本Tab.1 Costof photovoltaic

2.3 風(fēng)機(jī)配置

Fuhrl?nder30 kW風(fēng)機(jī)的成本如表2所示。數(shù)量選擇范圍為1～4臺(tái)，生命周期為15 a。

表2 風(fēng)機(jī)的成本Tab.2 Costofw ind turbine

2.4 蓄電池配置

選取型號(hào)為Trojan T-250的蓄電池，成本如表3所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)3.2 V/250 Ah電池模塊構(gòu)成，其中5個(gè)電池串聯(lián)成一列，即DC線路額定電壓為16 V，并以此為單位并聯(lián)，電池?cái)?shù)目根據(jù)所需容量進(jìn)行靈活調(diào)整。蓄電池整個(gè)生命周期中的可供電量為1 075 kW·h。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)蓄電池的荷電量SOC（state of charge）是決定其是否能繼續(xù)提供頻率和電壓支撐以使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵量。Trojan T-250的SOC下限為30%，為使系統(tǒng)安全運(yùn)行，以孤網(wǎng)運(yùn)行一天的耗電量192 kW·h為選擇基準(zhǔn)，±37.5%為容量選擇范圍，即120～264 kW·h，對(duì)應(yīng)數(shù)量選擇范圍為150～330個(gè)。

表3 蓄電池的成本Tab.3 Costof battery

2.5 柴油發(fā)電機(jī)配置

部分柴油發(fā)電機(jī)配置成本如表4所示，污染氣體排放如表5所示，g/L表示每消耗1L柴油產(chǎn)生的氣體量?？蛇x容量范圍為10～55 kW，2臺(tái)發(fā)電機(jī)生命周期數(shù)均約為113 880 h。

表4 柴油發(fā)電機(jī)的成本Tab.4 Costof diesel

表5 柴油發(fā)電機(jī)的排污Tab.5 Dieselgenerator gasem ission

2.6 換流器配置

最極端的情況為方案2中，風(fēng)機(jī)不出力，僅由光伏或光伏和蓄電池共同負(fù)擔(dān)最大負(fù)荷63 kW，取逆變時(shí)效率為90%，整流時(shí)效率為85%并考慮到損耗，因此選用75 kW的換流器，生命周期為10 a。換流器成本見(jiàn)表6。

表6 換流器的成本Tab.6 Costof converter

2.7 凈現(xiàn)值和能源成本

凈現(xiàn)值NPC（totalnetpresentcost）包含所有微電源在其生命周期中的固定資產(chǎn)成本、置換成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、污染氣體排放懲罰成本和殘值回收。能源成本COE（levelized costofenergy）為平均每度電的成本。二者均是衡量規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)與否的重要標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算公式分別為

式中：Cann，tot為系統(tǒng)中每一組件的年費(fèi)用成本之和；CRF（d，Rproj）為資本回收系數(shù)；d為電力工業(yè)基準(zhǔn)收益率或者折現(xiàn)率，d越高未來(lái)回報(bào)的現(xiàn)值就越低；n為項(xiàng)目生命周期；Cboiler為鍋爐的邊緣成本；Ethermal為總熱負(fù)荷；Eprim，ac為交流主要負(fù)荷；Eprim，dc為直流主要負(fù)荷；Edef為可延遲負(fù)荷；Egrid，sales為售電總額。參照文獻(xiàn)[4]取d為6%，n為25 a。

2.8 年容量短缺和實(shí)際年停電率

方案1中無(wú)不可控能源，因此取每小時(shí)負(fù)荷的10%作為系統(tǒng)的運(yùn)行備用。而由于方案2、3中不可控的可再生能源的滲透率很高，因此為保證在負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定以及供電可靠性，取每小時(shí)負(fù)荷的10%作系統(tǒng)的部分運(yùn)行備用[4]，將光伏發(fā)電的運(yùn)行備用[4]取為當(dāng)前輸出的25%，風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行備用取為當(dāng)前輸出的50%。當(dāng)電源無(wú)法同時(shí)滿足負(fù)荷并按上述提供備用容量時(shí)配電網(wǎng)重購(gòu)[9]。

3 微電網(wǎng)規(guī)劃方案分析

3.1 方案1：獨(dú)立柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

本方案的決策變量為2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)各自的容量。由于負(fù)荷有著顯著的時(shí)段特性，如圖2所示，因此采用2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)1主要承擔(dān)夜晚負(fù)荷，柴油發(fā)電機(jī)2主要承擔(dān)白天負(fù)荷，并且2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)互為備用?？紤]到最大負(fù)荷為63 kW，因此考慮10～30 kW和15～55 kW分別為柴油發(fā)電機(jī)1與柴油發(fā)電機(jī)2的容量選擇范圍。

圖2 典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig.2 Typicaldaily load data

柴油的價(jià)格與最大年停電率是決定系統(tǒng)中各微電源容量配置的關(guān)鍵因素。河北地區(qū)柴油現(xiàn)價(jià)[10]為7.32元/L，即1.136 1$/L；實(shí)際年停電率是一年中未滿足的負(fù)荷與系統(tǒng)總發(fā)電量的百分比，最大年停電率取1%計(jì)算。

表7為排污懲罰標(biāo)準(zhǔn)。仿真方案中計(jì)及排污懲罰成本的所有配置組合如表8所示，其中第1種為最優(yōu)結(jié)果，即Dsl1的決策容量為10 kW，Dsl2的決策容量為45 kW。

表7 電力行業(yè)污染物環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Environmentalvalue standard of pollutant em ission in power industry

表8 柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的配置組合Tab.8 Configuration of dieselsystem

無(wú)論有無(wú)排污懲罰，Dsl1發(fā)電量為23 454 kW·h/a（33%），Dsl2發(fā)電量為46 686 kW·h/a（67%），如圖3所示。圖3中2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)出力基本與當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求相匹配。由于最大年停電率為1%，兩柴油發(fā)電機(jī)容量總和小于可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷。

3.2 方案2：風(fēng)機(jī)+光伏+蓄電池

本方案的決策變量為風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)、光伏電池大小、變流器容量和蓄電池容量。年平均風(fēng)速、年平均輻照度和最大年停電率為敏感性分析中的關(guān)鍵因素。當(dāng)風(fēng)速為4.85m/s，輻照度為4.5 kW·h/m2，最大年停電率為1%時(shí)，優(yōu)化配置組合如表9所示，結(jié)果見(jiàn)表10。

圖3 獨(dú)立柴油發(fā)電系統(tǒng)的月均發(fā)電量Fig.3 M onthly average electric production for standalone dieselsystem

表9 風(fēng)機(jī)、光伏和蓄電池系統(tǒng)的配置組合Tab.9 Configuration ofWT，PV and battery system

表10 優(yōu)化配置結(jié)果（方案2）Tab.10 Configuration optimal results（case 2）

當(dāng)蓄電池未充滿時(shí)，風(fēng)機(jī)與光伏首先滿足負(fù)荷，多余電力再為蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充滿后則棄風(fēng)棄光，如圖4和圖5所示。安全裕量設(shè)置如前所述，由仿真結(jié)果可見(jiàn)系統(tǒng)運(yùn)行備用的需求使得蓄電池容量相對(duì)較高。光伏發(fā)電量為87 775 kW·h/ a（44%），風(fēng)機(jī)發(fā)電量為112 335 kW·h/a（56%），超過(guò)年負(fù)荷69 645 kW·h/a的部分則棄風(fēng)棄光，由此可見(jiàn)此方案棄電現(xiàn)象嚴(yán)重，但若能在后期工程中上網(wǎng)售電則經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

圖4 光伏和風(fēng)機(jī)的月平均發(fā)電量Fig.4 M onthly average electric production of PV and WT

3.3 方案3：柴油發(fā)電機(jī)+風(fēng)機(jī)+光伏+蓄電池

本方案的決策變量包含方案1與方案2中的所有決策變量，其值或變化范圍如前所述，結(jié)果見(jiàn)表11，優(yōu)化配置組合如表12所示。

圖5 蓄電池月均充電量Fig.5 Battery inputpowermonthly average chonging power ofbattery

安全裕量設(shè)置如前所述。光伏發(fā)電量為69 488 kW·h/a（54%），風(fēng)機(jī)發(fā)電量為56 167 kW·h/a（43%），柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電量為4 159 kW·h/a（3%），如圖6和圖7所示。雖然總發(fā)電量仍超過(guò)年負(fù)荷69 860 kW·h/a，但棄電量?jī)H為方案2的45.954%。在3—5月風(fēng)速最大，光照條件較好，完全可以滿足負(fù)荷所需，但是棄風(fēng)棄光現(xiàn)象也最為嚴(yán)重，柴油發(fā)電機(jī)基本不工作。而在7—9月風(fēng)速最小，負(fù)荷相對(duì)其余月份較大，因此柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池在此季度出力最大并且頻繁，大部分停電時(shí)間集中在此季度。

表11 優(yōu)化配置結(jié)果（方案3）Tab.11 Configuration optimal results（case3）

表12 混合系統(tǒng)的配置組合Tab.12 Configuration ofhybrid system

圖6 光伏、風(fēng)機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)的月均發(fā)電量Fig.6 M onthly average electric productionof PV，WT and diesel

圖7 蓄電池月均充電量Fig.7 M onthly average charging power ofbattery

4 微電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)濟(jì)性分析

微電網(wǎng)規(guī)劃方案的優(yōu)化指標(biāo)如表13所示，其排污量如表14所示。

表13 各方案優(yōu)化指標(biāo)結(jié)果Tab.13 Optimal results for each case

表14 各方案污染氣體排放量Tab.14 Pollutantem issions for each case kg/a

由表13中停電率可見(jiàn)，3種方案均滿足農(nóng)村用戶供電可靠性要求[11]，年容量短缺懲罰費(fèi)用已經(jīng)計(jì)入凈現(xiàn)值中。

方案1中總柴油費(fèi)用高出柴油發(fā)電機(jī)的成本費(fèi)用近41倍，占計(jì)及環(huán)境效益其凈現(xiàn)值的91.58%，凈現(xiàn)值如表15所示。中國(guó)柴油價(jià)格在2009-07—2011-04間為5 770～7 730元/t[10，12，13]，并保持上升趨勢(shì)，再加上排污懲罰和偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)費(fèi)較高，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看并不經(jīng)濟(jì)。

表15 各方案凈現(xiàn)值Tab.15 Totalnetpresent costofeach case$

方案2中雖然風(fēng)光蓄系統(tǒng)的初始成本與置換成本相比較獨(dú)立柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常高，但由于其無(wú)巨額燃料費(fèi)用并且運(yùn)行維護(hù)成本也較低，在項(xiàng)目持續(xù)25 a和收益率為6%的條件下可以與傳統(tǒng)能源相競(jìng)爭(zhēng)。其能源成本高于未計(jì)及環(huán)境效益的獨(dú)立柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，但小于計(jì)及環(huán)境效益的獨(dú)立柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，由此可見(jiàn)，對(duì)污染物實(shí)施罰款是一種增大傳統(tǒng)發(fā)電成本，降低對(duì)不可再生能源依賴，逐漸向無(wú)污染或低污染的可再生能源過(guò)渡的行之有效的方法。而罰款則用于環(huán)境治理，這是體現(xiàn)分布式發(fā)電環(huán)境效益的一種公平公正的良好方式[14，15]。

方案3中計(jì)及環(huán)境效益的凈現(xiàn)值僅為方案1的78.96%，為方案2的83.89%，并且能源成本也是最低的。由表12可知其雖然比方案2的零排污量有所上升比應(yīng)用普遍的方案1的排污量大大減小，并且供電可靠性也較方案2有所上升。綜上所述，混合系統(tǒng)是現(xiàn)在該試點(diǎn)鄉(xiāng)的最好選擇。

5 結(jié)語(yǔ)

混合系統(tǒng)在滿足供電可靠性的基礎(chǔ)上，使得凈現(xiàn)值和能源成本下降的同時(shí)大大地降低了排污量，從而證實(shí)了該方案在試點(diǎn)村的可行性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

方案2中的風(fēng)光蓄是以孤網(wǎng)運(yùn)行為前提進(jìn)行的機(jī)組組合和容量配置優(yōu)化并兼顧了備用容量，因此造成各微源選容較大，初始成本以及置換成本均較高，但考慮到居民負(fù)荷逐年增大以及電網(wǎng)盈利，當(dāng)風(fēng)光蓄系統(tǒng)不足以支撐時(shí)，可考慮并網(wǎng)上網(wǎng)，即并網(wǎng)情況下的風(fēng)光蓄選容也有待研究。

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[10]蕭蘆（Xiao Lu）.全國(guó)各?。ㄊ小^(qū)）及中心城市汽柴油批發(fā)及零售價(jià)格表（Provinces（cities，districts）and the central city gasoline and dieselwholesale and retailprice list）[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)（International Petroleum Economics），2011（4）：109.

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[12]盧向前（Lu Xiangqian）.全國(guó)各省（市、區(qū)）及中心城市汽柴油批發(fā)及零售價(jià)格表（Provinces（cities，districts）and the central city gasoline and dieselwholesale and retailprice list）[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)（International Petroleum Economics），2009（8）：89.

[13]蕭蘆（Xiao Lu）.全國(guó)各?。ㄊ?、區(qū)）及中心城市汽柴油批發(fā)及零售價(jià)格表（Provinces（cities，districts）and the central city gasoline and dieselwholesale and retailprice list）[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)（International Petroleum Economics），2010（11）：93.

[14]錢科軍，袁越，石曉丹，等（Qian Kejun，Yuan Yue，Shi Xiaodan，etal）.分布式發(fā)電的環(huán)境效益分析（Environmental benefits analysis of distributed generation）[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2008，28（29）：11-15.

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Combination ofM icrosoucesand Optim ization Capacity Configuration in M icrogrid

ZHOUXiao-yan，LIU Tian-qi
（SchoolofElectricalEngineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Aiming at the actualmeteorological data and load data ofa northern pilot township ofabundant in wind and solar resource，threemodelsare constructed and optimized：standalone diesel system，PV-WTbattery system and hybrid system.On the basis ofmeeting the constraints，reliable power supply and counting for the cost of each microsource，environmentalprotection，socialbenefitsand userbenefitsarequantified into the indexsofemission penalty cost，capacity shortage and actual outage rate correspondingly.Comprehensive assessments are used tominimize the netpresentcost（NPC），the costofenergy（COE）and the emissions，and the threemodelsare builtand compared in HOMER（hybrid optimizationmodel forelectric renewables）to get the optimalcase to appropriate for the region.

microgrid；hybrid system；DG unitcombination；optimalconfiguration；economic operation

TM727

A

1003-8930（2013）05-0149-07

周曉燕（1988—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化、分布式發(fā)電。Email：zhouxiaoyan.kyo@foxmail.com

2011-10-10；

2011-11-24

劉天琪（1962—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析計(jì)算與穩(wěn)定控制、高壓直流輸電、調(diào)度自動(dòng)化。Email：tqliu@sohu.com