劉怡，肖立業(yè)，王海風(fēng)，戴少濤，齊智平

(1.中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190;2.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190; 3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

中國廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源短時(shí)間尺度的時(shí)空互補(bǔ)特性調(diào)查研究

劉怡1，2，肖立業(yè)1，2，王海風(fēng)3，戴少濤1，2，齊智平2

(1.中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190;2.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190; 3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

風(fēng)能資源所具有的間歇性和波動(dòng)性的特性致使風(fēng)電輸出功率具有很大程度的隨機(jī)性和難以預(yù)測(cè)性。將這種大規(guī)模的波動(dòng)電源接入電網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來諸多不利影響。近些年來利用廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源時(shí)空互補(bǔ)特性平滑大規(guī)模風(fēng)能輸出功率波動(dòng)已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。中國小時(shí)級(jí)別及以上時(shí)間尺度下的風(fēng)能資源時(shí)空互補(bǔ)性已得到了初步的調(diào)查研究，但小時(shí)級(jí)別以下時(shí)間尺度下的時(shí)空互補(bǔ)性有待進(jìn)一步研究。因此，基于中國氣象局提供的氣象風(fēng)速數(shù)據(jù)，本文結(jié)合各種統(tǒng)計(jì)方法和指標(biāo)調(diào)查研究了中國廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源短時(shí)間尺度(1min)的時(shí)空互補(bǔ)特性。

時(shí)空互補(bǔ)性;風(fēng)電;波動(dòng)性;間隙性;平滑作用;分散分布;短時(shí)間尺度

1 引言

隨著常規(guī)化石能源的日益枯竭，中國政府已將發(fā)展可再生能源提升至重要地位，并逐步實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整。2011年中國以62GW的累計(jì)裝機(jī)容量蟬聯(lián)世界第一，按照我國“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，預(yù)計(jì)到2015年風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1×108kW，年發(fā)電量1900×108kW·h［1］。我國的風(fēng)能資源非常豐富，根據(jù)中國氣象局2011年開展的第四次風(fēng)能資源普查結(jié)果，我國陸上50m高度風(fēng)能資源潛在開發(fā)量為23.8億kW，近海5～25m水深范圍內(nèi)風(fēng)能資源潛在量為2億kW。

由于風(fēng)電輸出功率具有較大的間隙性和波動(dòng)性，其大規(guī)模并入電網(wǎng)會(huì)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來諸多不利影響。對(duì)于如何平滑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)從而減少對(duì)電網(wǎng)不利影響，國內(nèi)外已有眾多文獻(xiàn)提出相關(guān)方法，如利用儲(chǔ)能技術(shù)［2］、風(fēng)火打捆［3］、增加無功補(bǔ)償裝置［4］等，但是這些方法沒有考慮到可再生能源在廣域范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置。

合理利用廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源的時(shí)空互補(bǔ)性，能夠平滑其功率輸出波動(dòng)水平，從而減弱對(duì)電網(wǎng)的不利影響。自1979年Kahn［5］提出將地理上分散分布的風(fēng)電場(chǎng)互聯(lián)可以平滑其輸出功率波動(dòng)以來，歐美國家的一些研究［6-12］隨后也得出了相關(guān)結(jié)論。文獻(xiàn)［8］研究了美國東部沿海岸2500km分布的風(fēng)電場(chǎng)在小時(shí)時(shí)間尺度下的時(shí)空互補(bǔ)特性，因此利用海底電纜將廣域范圍內(nèi)風(fēng)電互聯(lián)可以很好地降低輸出功率小時(shí)時(shí)間尺度下的波動(dòng)性。文獻(xiàn)［6］分析了北歐眾多國家廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源小時(shí)時(shí)間尺度下的互補(bǔ)特性，提出整合廣域風(fēng)能資源的互補(bǔ)性可以降低輸出功率波動(dòng)，提高可預(yù)測(cè)性等。國內(nèi)文獻(xiàn)［13］調(diào)查研究了中國廣域范圍內(nèi)小時(shí)時(shí)間尺度下的風(fēng)能資源時(shí)空互補(bǔ)特性，文獻(xiàn)［14］基于NASA地球觀測(cè)數(shù)據(jù)庫研究了3h及以上時(shí)間尺度下的中國區(qū)域風(fēng)電功率波動(dòng)特性和地域相關(guān)性。但以上所述文獻(xiàn)均為廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源小時(shí)及以上時(shí)間尺度下的時(shí)空互補(bǔ)性。文獻(xiàn)［15］對(duì)風(fēng)電各時(shí)間尺度下的波動(dòng)給電力系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究，并提出數(shù)分鐘級(jí)的風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的無功儲(chǔ)備(電壓管理)、一次備用或二次備用需求具有重要影響。因此，有必要對(duì)中國風(fēng)能資源分鐘時(shí)間尺度的時(shí)空互補(bǔ)特性進(jìn)行研究，以便掌握廣域范圍內(nèi)風(fēng)電輸出功率在各時(shí)間尺度下的波動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)大范圍資源優(yōu)化配置和利用。基于中國氣象局實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，本文研究了中國廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源短時(shí)間尺度(1min)的時(shí)空互補(bǔ)特性。

2 氣象站點(diǎn)的選擇

本文從氣象局提供的氣象站點(diǎn)中挑選了35個(gè)適合建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)且風(fēng)能資源相對(duì)較好(10m高年平均風(fēng)速大于3m/s)的氣象站點(diǎn)，并用其觀測(cè)的2009年整年以1min為時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)作為本文的原始數(shù)據(jù)。本文所挑選的站點(diǎn)在中國部分地圖的分布如圖1所示，經(jīng)緯度及站點(diǎn)編號(hào)如表1所示。為了方便研究，本文將所有挑選站點(diǎn)分成了四個(gè)分區(qū)。

圖1 所選風(fēng)能站點(diǎn)在中國部分地圖上的分布Fig.1 Distribution of selected wind farm sites

表1 所挑選風(fēng)能站點(diǎn)編號(hào)及經(jīng)緯度Tab.1 Number，latitude and longitude of selected site

3 風(fēng)功率模擬方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于陸上風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的模擬，首先用Gipe冪律［16］將10m高標(biāo)準(zhǔn)測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)的風(fēng)速轉(zhuǎn)化為典型風(fēng)機(jī)(本文選用國內(nèi)主流風(fēng)機(jī)3MW Sinovel SL3000/90型)輪轂高處風(fēng)速:

式中，V為輪轂高Hhub處風(fēng)速;Vland為氣象觀測(cè)塔高H0處風(fēng)速。

對(duì)于本文B區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)，首先用式(2)［17］將近海陸上風(fēng)速轉(zhuǎn)化為近陸海上同高度風(fēng)速:

式中，Vsea為與測(cè)風(fēng)塔等高處近陸海上風(fēng)速。海風(fēng)風(fēng)機(jī)輪轂高處風(fēng)速通過式(3)模擬，其中L0= 0.001［18］:

各站點(diǎn)的風(fēng)電輸出功率通過所選風(fēng)機(jī)的風(fēng)速-功率特性進(jìn)行模擬。為了簡化研究，各站點(diǎn)風(fēng)電裝機(jī)容量相同。四個(gè)區(qū)域的功率分別記為PA、PB、PC、PD，四個(gè)區(qū)域總輸出功率記為PGrid。

對(duì)于廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源在分鐘時(shí)間尺度下的時(shí)空互補(bǔ)性本文采用相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)離差、一定閾值下的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)等指標(biāo)和方法進(jìn)行研究。

4 結(jié)果

4.1 相關(guān)系數(shù)

本文計(jì)算了站點(diǎn)之間輸出功率的相關(guān)系數(shù)，如圖2所示。圖中每個(gè)點(diǎn)表示在一定距離下的兩個(gè)站點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)。圖中任意兩個(gè)站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)均在0.7以下(中度相關(guān)及輕度相關(guān))。相關(guān)系數(shù)最大的(0.69)兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離為93.9km。當(dāng)兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離超過約250km時(shí)，兩個(gè)站點(diǎn)之間輸出功率的相關(guān)系數(shù)約在0.4以下(低相關(guān)性)。兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離越遠(yuǎn)，相關(guān)系數(shù)越低，在同一時(shí)刻兩個(gè)站點(diǎn)發(fā)電功率同時(shí)滿發(fā)或同時(shí)輸出功率為零的時(shí)刻將會(huì)大大減少。

圖2 不同距離的兩個(gè)站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)Fig.2 Correlation between pairs of stations by distance

此外，本文擬合了不同站點(diǎn)不同時(shí)間尺度下功率變化差ΔPn，t隨距離改變的相關(guān)系數(shù)的變化情況，如圖3所示。這里:

式中，ΔPn，t為第n個(gè)站點(diǎn)在某時(shí)間尺度下，第t個(gè)時(shí)間段內(nèi)與t－1個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均輸出功率差。

各時(shí)間尺度下相鄰時(shí)間段的功率變化量對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。由圖3可見，10min尺度以下，相距僅數(shù)公里兩個(gè)站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)近似于零。時(shí)間尺度越大，其功率變化量的相關(guān)性越強(qiáng)，即時(shí)空互補(bǔ)性越差。由圖3可見，廣域范圍內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)之間分鐘時(shí)間尺度下具有良好的時(shí)空互補(bǔ)性。

圖3 各時(shí)間尺度下不同距離兩個(gè)站點(diǎn)功率波動(dòng)的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation of variations for different time scales

4.2 輸出功率在一定閾值下的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)

表2計(jì)算了單個(gè)站點(diǎn)或在特定區(qū)域互補(bǔ)總輸出功率在一定閾值下全年分鐘時(shí)間百分?jǐn)?shù)。單個(gè)站點(diǎn)輸出功率大于0.5pu或者小于0.1pu的時(shí)間明顯高于各區(qū)域在此閾值的全年時(shí)間百分比。單個(gè)站點(diǎn)輸出功率在0.1～0.5pu閾值下全年分鐘數(shù)占全年總分鐘數(shù)百分比最大的站點(diǎn)為B6，達(dá)到57.0%。而四個(gè)區(qū)域在此閾值的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)分別為88.4%、84.7%、53.3%、76.9%。四個(gè)區(qū)域總輸出功率在此閾值的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)達(dá)到91.2%，全年僅僅0.2%的分鐘數(shù)功率低于0.1pu。

表2 在一定閾值下輸出功率的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)Tab.2 Percentage of time power output changes within certain range

以上結(jié)果表明在一定區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)能資源互補(bǔ)后，總輸出功率全年大部分時(shí)間在一個(gè)相對(duì)比較集中的范圍(0.1～0.5pu)內(nèi)波動(dòng)。

4.3 輸出功率全年的分鐘時(shí)間尺度變化量

可再生能源影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行最重要的因素是其特定時(shí)間尺度下功率變化量。表3計(jì)算了單個(gè)站點(diǎn)及某特定區(qū)域全年相鄰分鐘功率波動(dòng)量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值。單個(gè)站點(diǎn)全年分鐘時(shí)間尺度的功率變化量最大值均為1，即單個(gè)站點(diǎn)均有在一分鐘內(nèi)從輸出功率為零到額定功率，或從額定功率變?yōu)榱愕那闆r出現(xiàn)。盡管風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的慣性系數(shù)對(duì)風(fēng)電在數(shù)秒鐘內(nèi)的功率輸出具有一定的平滑作用［19］，但對(duì)分鐘時(shí)間尺度下的功率突變改善作用仍然有限。

表3 各站點(diǎn)及各區(qū)域輸出功率分鐘變化量平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值Tab.3 Mean，standard and maximum values of minute-to-minute variations of power output

將廣域范圍內(nèi)的風(fēng)能站點(diǎn)互聯(lián)后，四個(gè)區(qū)域分鐘時(shí)間尺度的功率最大變化量分別為0.184pu、0.245pu、0.413pu、0.708pu。而四個(gè)區(qū)域總功率分鐘變化量最大為0.140pu。這意味著廣域范圍內(nèi)互補(bǔ)后平滑分鐘時(shí)間尺度風(fēng)電波動(dòng)所需配置的儲(chǔ)能容量要遠(yuǎn)小于風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量。同時(shí)，廣域范圍內(nèi)分鐘級(jí)別風(fēng)能資源互補(bǔ)后，其功率波動(dòng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的值相對(duì)于大多數(shù)站點(diǎn)來說均為一個(gè)較低的值。這表明廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源分鐘時(shí)間尺度的波動(dòng)量全年集中在一個(gè)較低的水平。

表4顯示了分鐘時(shí)間尺度的功率波動(dòng)量在一定閾值下的全年時(shí)間百分比。從表4中可見，區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)互補(bǔ)后的總輸出功率波動(dòng)量低于一定閾值的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于各區(qū)域內(nèi)單個(gè)站點(diǎn)。而當(dāng)四個(gè)區(qū)域互補(bǔ)后總輸出功率分鐘級(jí)波動(dòng)量小于0.03pu的分鐘數(shù)占全年總分鐘數(shù)的85%，僅有15%的時(shí)間波動(dòng)量大于0.03pu。

表4 分鐘時(shí)間尺度輸出功率的波動(dòng)量在一定閾值下的全年時(shí)間百分?jǐn)?shù)Tab.4 Percentage of time thatminute-to-minute variations of power output change within certain range

考慮用配置儲(chǔ)能來平滑風(fēng)電波動(dòng)，如果對(duì)單個(gè)站點(diǎn)或者互補(bǔ)后的場(chǎng)景配置其風(fēng)電裝機(jī)容量的5%的儲(chǔ)能容量，對(duì)四個(gè)風(fēng)電區(qū)域該儲(chǔ)能容量能平滑分鐘時(shí)間尺度功率波動(dòng)的時(shí)間分別占全年的96.5%、96.1%、72.1%、67.1%。而當(dāng)所有風(fēng)能站點(diǎn)互補(bǔ)后，僅僅配置5%的風(fēng)電裝機(jī)容量的儲(chǔ)能裝置便可以平滑全年98.5%的波動(dòng)，這樣全年僅僅有1.5%的時(shí)間分鐘時(shí)間尺度的波動(dòng)超過其配置儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)能力。

4.4 一定概率置信區(qū)間的分鐘時(shí)間尺度的波動(dòng)量

文獻(xiàn)［20］利用概率統(tǒng)計(jì)了一定區(qū)域的風(fēng)電在不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)率分布特點(diǎn)。圖4計(jì)算了在置信區(qū)間為99.5%時(shí)，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)和區(qū)域輸出功率分鐘時(shí)間尺度下的變化量。對(duì)于分鐘級(jí)變化量，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)普遍在±0.3pu以上，四個(gè)區(qū)域和PGrid分別為±0.089pu、±0.117pu、±0.221pu、±0.344pu和±0.076pu。在四個(gè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)能資源互補(bǔ)后，總輸出功率分鐘級(jí)功率變化量較單個(gè)站點(diǎn)來說有明顯的降低。較置信區(qū)間為100%來說，不論是單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)還是區(qū)域，其分鐘時(shí)間尺度下的最大功率變化量都明顯降低。

圖4 99.5%置信度下分鐘級(jí)功率波動(dòng)的最大值Fig.4 Max value ofminute-to-minute variations of wind power fluctuation with 99.5%confidence interval

5 討論

從上面的結(jié)果可以看出，從分鐘時(shí)間尺度下風(fēng)電輸出功率和波動(dòng)量兩個(gè)方面的特點(diǎn)來看，廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源在分鐘時(shí)間尺度具有良好的互補(bǔ)性。與10分鐘級(jí)、半小時(shí)級(jí)、小時(shí)級(jí)等長時(shí)間尺度相比，風(fēng)能資源在分鐘時(shí)間尺度下的變化量在幾公里的范圍內(nèi)(大型風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)電基地內(nèi))的相關(guān)系數(shù)為零，呈現(xiàn)良好的互補(bǔ)性。因此，相對(duì)較小區(qū)域范圍內(nèi)的風(fēng)機(jī)的互聯(lián)便可有效平滑風(fēng)電功率輸出分鐘級(jí)的波動(dòng)。

利用互補(bǔ)性能夠有效降低風(fēng)電輸出功率波動(dòng)水平，從而降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和提高其安全穩(wěn)定性。當(dāng)整合一定區(qū)域風(fēng)能資源后，在一定置信度下的輸出功率分鐘級(jí)波動(dòng)最大值明顯低于單個(gè)站點(diǎn)，因此平滑分鐘時(shí)間尺度的波動(dòng)所需儲(chǔ)能容量明顯降低，從而降低了電力系統(tǒng)運(yùn)行成本。風(fēng)電功率分鐘時(shí)間尺度的波動(dòng)主要影響電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻(AGC)［21］，而分散在一定區(qū)域的風(fēng)能資源互補(bǔ)后分鐘級(jí)功率波動(dòng)更平緩，這有利于提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，并降低對(duì)機(jī)組爬坡速率的限制。

在充分調(diào)查研究各時(shí)間尺度下廣域范圍內(nèi)中國風(fēng)能資源的時(shí)空互補(bǔ)性后，有必要對(duì)中國其他可再生能源之間的時(shí)空互補(bǔ)性(如風(fēng)能和太陽能資源［22］，風(fēng)能與水能資源等)以及未來大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)后對(duì)傳統(tǒng)輸電方式［23］、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)［24］等帶來的影響進(jìn)行進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)［23］提出用高壓直流環(huán)網(wǎng)構(gòu)成中國骨干電網(wǎng)，從而充分利用廣域范圍內(nèi)各種可再生能源之間的時(shí)空互補(bǔ)性。因此，有必要充分了解中國實(shí)際的各種可再生能源的時(shí)空分布特點(diǎn)［22］和其互補(bǔ)性，并結(jié)合我國負(fù)荷分布特點(diǎn)，進(jìn)一步研究如何從目前交流電網(wǎng)向未來直流為主的電網(wǎng)進(jìn)行過渡，這也是本文作者以后的研究方向。

6 結(jié)論

利用中國氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)，本文對(duì)廣域范圍內(nèi)風(fēng)能資源短時(shí)間尺度(1min)時(shí)空互補(bǔ)性進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下:

對(duì)于單個(gè)風(fēng)能站點(diǎn)，其輸出功率在分鐘時(shí)間尺度下的波動(dòng)性，中國西北新疆地區(qū)相對(duì)較強(qiáng)，東部沿海地區(qū)相對(duì)較弱。

在一定區(qū)域范圍內(nèi)，地域分散分布的風(fēng)能資源具有良好的分鐘時(shí)間尺度下的互補(bǔ)性。文中研究了不同地點(diǎn)風(fēng)電時(shí)空互補(bǔ)性隨距離的變化關(guān)系。

相比于單個(gè)風(fēng)能站點(diǎn)，一定范圍分布的區(qū)域分鐘級(jí)輸出功率全年功率滿發(fā)或者接近滿發(fā)，等于或接近零的時(shí)間大大減少。

在相同的置信度，區(qū)域輸出功率分鐘時(shí)間尺度最大波動(dòng)量明顯小于單個(gè)站點(diǎn)。文中詳細(xì)計(jì)算了單個(gè)站點(diǎn)和各風(fēng)電區(qū)域分鐘時(shí)間尺度的最大波動(dòng)量。

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(，cont.on p.61)(，cont.from p.54)

Investigation on short-term tem porospatial com plementarities of China’s w ind energy resources spreading over w ide area

LIU Yi1，2，XIAO Li-ye1，2，WANG Hai-feng3，DAIShao-tao1，2，QIZhi-ping2
(1.Key Laboratory of Applied Superconductivity，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 3.North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Wind power is highly variable and difficult to predict due to the intermittent and fluctuating nature of wind energy resources.Integrating such unstable power source into power systemswill bring significant impacts on the safe and reliable operation of them.Interconnecting geographically dispersed wind generations is one of the feasible ways to smooth wind power output.Until now making use of the temporospatial complementarities of geographically dispersed wind resources has attractedmore andmore eyes athome and abroad over recent years.For China，hourly smoothing effect of combining geographically dispersed wind energy resources has been well studied，but the short-term effect still needs to be investigated.Hence，based on the data provided by China Meteorological Administration(CMA)，this paper analyzes the short-term(1minute)temporospatial complementarities ofwind energy resources spreading over a wide area in China.Several results are drawn based on the analysis and a feasible diagram for China tomake use of the complementarities of renewable resources is discussed in this paper.

temporospatial complementarities;wind power;fluctuations;intermittent;smoothing effect;geographical distribution;short term

TK89

A

1003-3076(2014)08-0049-06

2014-03-01

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB215204)

劉怡(1986-)，男，湖北籍，博士研究生，主要從事電力系統(tǒng)研究;肖立業(yè)(1966-)，男，湖南籍，研究員/博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。

book=54,ebook=57