一種多逆變器型微電網(wǎng)快速孤島檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法,該方法在實時測量PCC處電壓有效值VPCC及其頻率和負載無功功率的基礎上,通過比較電壓測量值與正常情況下電壓額定值、頻率與其額定值50Hz的大小情況,采取相應的IBDG無功控制策略;在進行孤島判斷時,首先預設電壓門檻值和頻率門檻值,并將VPCC與電壓門檻值進行比較,若超出電壓門檻值,則直接判定為孤島狀態(tài),結束本輪的孤島檢測;否則,將所測得的頻率f與頻率門檻值進行比較,若超出頻率門檻值,則判定為孤島狀態(tài)。本發(fā)明不存在孤島檢測盲區(qū),具有通用性,既適用于整功率因數(shù)運行的IBDG,也適用于非整功率因數(shù)運行的IBDG。
【專利說明】
一種多逆變器型微電網(wǎng)快速孤島檢測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)微電網(wǎng)保護與控制領域,針對可能出現(xiàn)的微電網(wǎng)非計劃孤島 問題,提出了一種適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法。
【背景技術】
[0002] 微電網(wǎng)非計劃孤島運行的發(fā)生具有偶然性和不確定性。當由于誤操作、系統(tǒng)發(fā)生 故障等原因引起公共耦合點或其上游斷路器跳閘時,微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源可能無法及時檢 測到微電網(wǎng)已經(jīng)與系統(tǒng)斷開而繼續(xù)保持運行。此時,微電網(wǎng)的非計劃孤島運行可能會給電 力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來一系列問題,比如重合閘失敗、備自投時間延長甚至失敗、孤島 系統(tǒng)內(nèi)電能質量惡化等,同時也會危害運維人員的人身安全。為了保證供電的可靠性和穩(wěn) 定性,美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)相關標準、我國國家標準以及電網(wǎng)公司企業(yè)標準要 求分布式電源(DG)具有防孤島保護的功能,即DG能夠檢測到非計劃孤島運行狀態(tài)并退出運 行。因此,非計劃孤島檢測方法是防孤島保護的核心技術。
[0003] 現(xiàn)有的非計劃孤島檢測方法包括開關狀態(tài)監(jiān)測法、被動檢測法和主動檢測法三大 類:1)開關狀態(tài)監(jiān)測法是基于通訊技術將配電網(wǎng)側斷路器的開合狀態(tài)發(fā)送給DG來判斷微電 網(wǎng)的運行模式,該方法不存在檢測盲區(qū),也不影響電能質量,但是該方法的實施較為復雜, 經(jīng)濟性也較差,并且當通信網(wǎng)絡發(fā)生故障時,該方法也隨之失效;2)被動檢測法通過檢測電 壓、相位、頻率及其變化率等基本電氣量是否在允許變化范圍之內(nèi)來判定孤島,該方法不會 對系統(tǒng)電能質量造成影響,但是存在較大檢測盲區(qū),通常與主動檢測法配合使用;3)主動檢 測法通常在DG的控制信號中注入擾動信號,并通過正反饋環(huán)節(jié)使得孤島發(fā)生后相關電氣量 超出門檻值,從而判定孤島,該方法能夠減小甚至消除檢測盲區(qū),但同時也對電能質量造成 了一定影響,并且由于多個DG中的擾動信號無法保證同步,也大大降低了孤島檢測的可靠 性。
[0004] 目前,接入到低壓電網(wǎng)中的DG主要是光伏發(fā)電系統(tǒng)、永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)以 及微型燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)等逆變型分布式電源(IBDG)。為快速實現(xiàn)微電網(wǎng)孤島檢測,申請 人曾提出一種微電網(wǎng)孤島檢測方法 [1],該方法通過對比并網(wǎng)點電壓的有效值和額定值,采 取相應的無功控制策略,當孤島發(fā)生時,系統(tǒng)頻率將超出門檻值,從而判定孤島。對于多逆 變器型微電網(wǎng),當多個IBDG通過同一個PCC并網(wǎng)時,上述方法能夠有效實現(xiàn)孤島檢測。然而, 當多個IBDG的并網(wǎng)點位置不同時,尤其是不同并網(wǎng)點之間的距離較遠并且兩個并網(wǎng)點之間 的線路上傳輸?shù)墓β瘦^大的情況下,如果發(fā)生非計劃孤島,則不同位置IBDG的并網(wǎng)點電壓 值可能分別在額定電壓值之上和之下,其無功擾動將相互抵消,無法保證孤島檢測的有效 性。
[0005] [1]李永麗,陳曉龍.一種微電網(wǎng)孤島檢測方法,授權發(fā)明專利,專利授權號: ZL201210319516.3,專利授權日:2014.10.15
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足,提供一種基于自適應無功擾動的、適用 于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法。本發(fā)明的實質性特點是:1)不存在孤島檢測盲 區(qū);2)具有通用性,既適用于整功率因數(shù)運行的IBDG,也適用于非整功率因數(shù)運行的IBDG; 3)根據(jù)PCC處電壓及其頻率的測量值和頻率測量值的變化情況,自適應調整無功擾動斜率, 減小了系統(tǒng)正常并網(wǎng)運行時IBDG的無功擾動,同時也縮短了孤島檢測時間;4)當微電網(wǎng)中 含有多個IBDG時,無需通信就能保證無功擾動的同步性,從而保證孤島檢測的可靠性和有 效性,簡單易行。本發(fā)明的技術方案如下:
[0007] 一種適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法,該方法在實時測量PCC處電 壓有效值V PCC及其頻率f和負載無功功率如。3(1的基礎上,通過比較電壓測量值VPCC與正常情 況下電壓額定值Vn、頻率f?與其額定值50Hz的大小情況,采取相應的IBDG無功控制策略:
[0008] 1)當f大于或等于50Hz時,需根據(jù)VPCC和VN比較結果確定IBDG無功參考值;若V PCC大 于或等于Vn,則設置IBDG輸出的無功功率為
;否則, 設置IBDG輸出的無功功率為QDG = -h (f-49.2) +QL〇ad;
[0009] 2)當f小于50Hz時,也根據(jù)Vpa和VN比較結果確定IBDG無功參考值;若Vpa大于或等 于Vn,則設置IBDG輸出的無功功率為QDGi-kKf-50.6)+QL〇 ad;否則,設置IBDG輸出的無功功
[0010]式中,k#Pk2為無功控制策略中可調變量,其值均為正數(shù);另外,根據(jù)f的大小自適 應改變ki取值,設置如下:
[0012]式中,pDG為DG輸出的有功功率,當系統(tǒng)頻率f滿足| f-50 | >0.1Hz時,若在一定時間 內(nèi)頻率沒有超出頻率門檻值,則lu仍取為0.01PDC;
[0013]在進行孤島判斷時,首先預設電壓門檻值和頻率門檻值,并將與電壓門檻值進 行比較,若超出電壓門檻值,則直接判定為孤島狀態(tài),結束本輪的孤島檢測;否則,將所測得 的頻率f與頻率門檻值進行比較,若超出頻率門檻值,則判定為孤島狀態(tài)。
[0014]為快速有效地實現(xiàn)多逆變器型微電網(wǎng)孤島檢測,本發(fā)明以不同位置IBDG測量值均 相同的頻率作為擾動方向的依據(jù),提出自適應改變無功擾動斜率的快速孤島檢測方法。與 現(xiàn)有技術相比,該方法所能產(chǎn)生的積極效果是:首先,本發(fā)明具有通用性,既適用于整功率 因數(shù)運行的IBDG,也適用于為本地負載同時提供無功補償?shù)姆钦β室驍?shù)運行的IBDG;其 次,本發(fā)明通過自適應改變無功擾動斜率,保證了正常運行時較小的無功擾動,減小了對電 能質量的影響,縮短了檢測時間,并且不存在孤島檢測盲區(qū);再次,在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,本 發(fā)明根據(jù)系統(tǒng)電壓狀態(tài)進行無功補償,能夠改善并網(wǎng)點電壓質量;最后,本發(fā)明適用于含有 多個IBDG的微電網(wǎng),各個IBDG以系統(tǒng)頻率的大小作為改變無功擾動斜率的依據(jù),在無需通 信的前提下能夠同時輸出使得系統(tǒng)頻率增大或減小的無功擾動,保證了孤島檢測的可靠性 和有效性。
【附圖說明】
[0015]圖1為標準孤島測試系統(tǒng)主電路拓撲圖,其中(a)為并網(wǎng)運行模式,(b)為孤島運行 模式;
[0016]圖2為IBDG的PQ解耦控制框圖;
[0017]圖3為負載的Q-f?曲線(負載消耗的有功功率卩^ = 2001^,功率因數(shù)為0.9);
[0018] 圖4為IBDG整功率因數(shù)運行時負載和IBDG的Q-f曲線(PDG = 200kW、負載品質因數(shù)Qf = 2.5);
[0019] 圖5為所提適用于多逆變器型微電網(wǎng)快速孤島檢測方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面將結合實施例及參照附圖對該發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0021] 本發(fā)明根據(jù)系統(tǒng)頻率的大小自適應改變施加在IBDG上無功擾動的斜率,提供了一 種適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法。該方法不存在孤島檢測盲區(qū),能夠減小 正常運行時的無功擾動,從而減小了對電能質量的影響,同時適用于整功率因數(shù)運行和非 整功率因數(shù)運行的IBDG,并且各個IBDG無需通信、僅通過本地信息就能保證無功擾動的同 步性,從而保證了孤島檢測的可靠性和有效性。
[0022] 1.針對IBDG的孤島測試系統(tǒng)及PQ解耦控制策略
[0023] 按照運行方式的不同,分布式電源一般可以分為傳統(tǒng)旋轉機型DG和IBDG。其中, IBDG通過電力電子裝置與電網(wǎng)并聯(lián),是目前DG并入配電網(wǎng)的主要形式,IEEE Std. 929-2000 和IEEE Std. 1547-2003中規(guī)定的分布式電源和并網(wǎng)逆變器的標準孤島測試系統(tǒng)如圖1所示 [1,2]。在并網(wǎng)運行模式下,IBDG通過公共耦合點(PCC)和配電網(wǎng)相連,同時為負荷提供功 率,負荷消耗的有功和無功與負荷等效阻抗之間的關系式分別為:
[0026] 式中,VPCC為PCC處的電壓,f為PCC處電壓的頻率,分別為負載消耗的有功 功率和DG輸出的有功功率,Qlc^WPQdg分別為負載消耗的無功功率和DG輸出的無功功率,R、L 和C分別為等效負載的電阻、電感和電容值。當圖1中所示開關打開時,IBDG和負荷形成孤 島,負荷所需電能完全由IK)G提供。當發(fā)生非計劃孤島時,若IBDG提供的功率等于或者接近 負荷消耗所需要的功率,則PCC處電壓和頻率將在正常運行允許范圍之內(nèi),被動檢測法過 壓/欠壓法(0VP/UVP)和過頻/欠頻法(0FP/UFP)將無法檢測到非計劃孤島的發(fā)生,從而進入 檢測盲區(qū)。
[0027] 基于瞬時功率理論,IBDG采用PQ解耦控制策略,從而可以通過借助IBDG的無功控 制策略實現(xiàn)快速孤島檢測。PQ解耦控制策略的控制框圖如圖2所示,包括鎖相環(huán)、功率外環(huán) 和電流內(nèi)環(huán)[3,4]。通過引入PCC處的三相電壓,鎖相環(huán)可以提供實現(xiàn)同步派克變換的電壓 相位角,并能夠計算出PCC處電壓的頻率。在功率外環(huán)中,通過一組比例積分(PI)調節(jié)器,將 有功和無功的參考值與實際功率之間的誤差分別調制為逆變器輸出電流的有功和無功分 量的參考值。電流內(nèi)環(huán)則通過前饋控制算法,實現(xiàn)對逆變器輸出電流的有功和無功分量的 解耦控制。逆變器輸出的有功功率和無功功率的公式如下:
[0030]式中,id和iq分別為DG輸出電流的有功和無功分量,Ud為并網(wǎng)點電壓的d軸分量。由 上述兩個公式可知,通過對輸出電流的有功和無功分量的調節(jié),可以實現(xiàn)對其有功和無功 的獨立控制,并達到所設定的功率參考值P ref和Qref[4,5]。
[0031 ]上述段落里所涉及到的參考文獻的出處如下:
[0032] [1]IEEE Standard 929-2000?IEEE Recommended Practice for Uti1ity Interface of Photovoltaic(PV)Systems,2000.
[0033] [2]IEEE Standard 1547-2003.IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems,2003.
[0034] [3]田小禾,光儲混合系統(tǒng)的控制與保護:[碩士學位論文],天津:天津大學,2011.
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[0037] 2.適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法
[0038]基于PQ解耦控制的IBDG能夠以整功率因數(shù)或者非整功率因數(shù)運行。通常情況下, IBDG輸出無功的參考值Qref設定為零,即IBDG按照單位功率因數(shù)運行,以便最大限度提高逆 變器的運行效率。然而,當PCC處負荷無功需求大或者無功波動時,并網(wǎng)處電壓將受到嚴重 影響。因此,通過IBDG對負載進行無功補償,能夠減少配電網(wǎng)向PCC處負荷提供的無功,提高 了負荷的功率因數(shù),同時降低了輸送無功造成的電壓降落以及傳輸損耗。
[0039]當發(fā)生非計劃孤島時,無論IBDG按照整功率因數(shù)運行還是按照非整功率因數(shù)運 行,若其提供的功率等于或者接近負荷消耗所需要的功率,則PCC處電壓和頻率將在正常運 行允許范圍之內(nèi),0VP/UVP和0FP/UFP均將無法檢測到非計劃孤島的發(fā)生,從而進入檢測盲 區(qū)。另外,若IBDG對負載進行無功補償,則減小了孤島后無功的不匹配度,從而增大加了檢 測盲區(qū)。
[0040]為實現(xiàn)孤島檢測,雖然主動式方法通過引入擾動能夠減小甚至消除孤島檢測盲 區(qū),但是當其應用在含有多個IBDG的微電網(wǎng)中時,現(xiàn)有大部分主動式方法無法保證擾動的 同步性,從而可能無法實現(xiàn)孤島檢測。因此,必須探索一種適用于含有多個IBDG微電網(wǎng)的快 速孤島檢測方法,不僅對整功率因數(shù)和非整功率因數(shù)運行的IBDG具有通用性,能夠消除檢 測盲區(qū),在系統(tǒng)正常運行時引入盡量小的擾動,而且能夠在不借助通信的前提下僅通過本 地信息就能保證多個IBDG中擾動的同步性,從而保證其可靠性和有效性。
[0041]無論正常運行還是非計劃孤島發(fā)生,負荷消耗的無功滿足式(2),并且結合式(1), 可進一步整理為下式:
[0043]若系統(tǒng)頻率為50Hz,RLC負載消耗的有功功率為200kW,并且負載的功率因數(shù)為 0.9,則負載的無功功率與系統(tǒng)頻率之間關系圖(即負載的Q-f曲線)如圖3所示。由圖3可知, 在系統(tǒng)正常運行的頻率范圍附近(49.3Hz~50.5Hz的正常運行范圍及其附近),負載無功與 系統(tǒng)頻率的關系圖近似線性,并且負載無功隨著頻率的增大而減小。
[0044]在非計劃孤島發(fā)生后,對于整功率因數(shù)運行的IBDG,在沒有無功擾動的情況下,系 統(tǒng)的頻率值將最終等于負載的諧振頻率值。若此時IBDG和負載之間的有功匹配,則無功不 匹配與頻率偏移之間的關系滿足下式:
[0046]式中,h為孤島發(fā)生后的系統(tǒng)頻率。對于非整功率因數(shù)運行的IBDG,則有功和無功 不匹配均能夠引起頻率偏移,其關系分別滿足下式:
[0048]由式(7)可知,非計劃孤島發(fā)生后,若IBDG提供的有功和無功分別同時大于或同時 小于負載所需有功和無功時,有功和無功不匹配將引起頻率朝著不同方向變化,從而降低 了孤島檢測速度,甚至進入孤島檢測盲區(qū)。因此,IBDG所采取的無功控制策略應盡量使得有 功和無功不匹配同時引起頻率增大或減小,從而實現(xiàn)快速孤島檢測。
[0049] 為消除孤島檢測盲區(qū),無功不匹配需要在頻率允許范圍內(nèi)恒存在,即IBDG的Q-f曲 線和負載的Q-f曲線之間在頻率允許范圍之內(nèi)存在偏差。另外,無論系統(tǒng)正常運行還是發(fā)生 非計劃孤島,不同位置的IBDG測量到的系統(tǒng)頻率是相同的。因此,在不借助通信的前提下, 為保證不同位置的IBDG僅根據(jù)本地信息就能保證無功擾動的同步性,則需要以系統(tǒng)頻率值 作為擾動判據(jù)。綜上,IBDG的無功控制策略設計為:
[0050] a.當PCC處電壓的頻率f大于或等于50Hz時
[0051] QDG = -ki(f-49.2)+QL〇ad (8)
[0052] b.當PCC處電壓的頻率f小于50Hz時
[0053] QDG = -ki(f-50.6)+QL〇ad (9)
[0054]式中,ki為無功控制策略中可調變量,其值為正數(shù)。另外,匕能夠根據(jù)f的大小自適 應改變?nèi)≈?,具體設置如下:
[0056] 式中,Pdg為DG輸出的有功功率。ki的自適應變化,能夠加快孤島檢測速度。另外,需 要說明的是,當系統(tǒng)頻率f滿足I f-50 | >0.1Hz時,若在1 s內(nèi)頻率沒有超出門檻值,則ki仍取 為O.OIPdg,這一設置能夠避免系統(tǒng)發(fā)生短時擾動時無功擾動過大,從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn) 定運行。
[0057] 根據(jù)式(7)分析可知,若有功和無功不匹配引起的頻率偏移方向一致,則能夠進一 步提高孤島檢測速度。另外,在并網(wǎng)情況下,當PCC處電壓偏高時,若IBDG發(fā)出的無功小于負 載無功,則配電網(wǎng)向負載提供無功,能夠使得PCC處電壓降低;當PCC處電壓偏低時,若IBDG 發(fā)出的無功大于負載無功,則向配電網(wǎng)輸入無功,從而使得PCC處電壓恢復。即在并網(wǎng)情況 下,IBDG的無功控制策略能夠使得IBDG等效于無功補償裝置,改善PCC處電壓質量。本發(fā)明 所提IBDG無功控制策略的首要目標是實現(xiàn)含多個IBDG微電網(wǎng)的快速孤島檢測,在實現(xiàn)該目 標的基礎上可以兼顧電壓質量調節(jié)功能,并將前述無功控制策略進一步改進如下:
[0058] a.當PCC處電壓的頻率f大于或等于50Hz,并且電壓Vpcc大于或等于VN時
[0060] b.當PCC處電壓的頻率f大于或等于50Hz,并且電壓Vpcc小于VN時
[0061] QDG = -ki(f-49.2)+QL〇ad (12)
[0062] c.當PCC處電壓的頻率f小于50Hz,并且電壓Vpcc大于或等于VN時 [0063] QDG = -ki(f-50.6)+QL〇ad (13)
[0064] d.當PCC處電壓的頻率f小于50Hz,并且電壓Vpcc小于VN時
[0066]按照上述無功控制策略,不僅能夠在并網(wǎng)情況下通過動態(tài)無功補償實現(xiàn)動態(tài)改善 PCC處電壓質量,而且孤島發(fā)生時有功的不匹配能夠進一步加大無功的不匹配,從而進一步 提尚孤島檢測速度。
[0067]非計劃孤島發(fā)生后,IBDG與負載之間有功的不匹配也會引起PCC處電壓的變化, 0VP/UVP法雖然存在盲區(qū),但是當有功的不匹配程度足夠大時,能夠直接判斷孤島發(fā)生。因 此,綜合上述IBDG無功控制策略及0VP/UVP法、0FP/UFP法,形成如圖5所示的不依賴通信的、 適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法。該方案的具體步驟為:
[0068]第一步:實時測量PCC處電壓有效值VPCC、頻率f及負載無功Qi-。
[0069] 第二步:將VPCC和f與被動檢測法0VP/UVP和0FP/UFP法中的電壓和頻率門檻值進行 比較。若超出門檻值,則直接判定為孤島狀態(tài);否則,轉入下一步。
[0070]第三步:根據(jù)VPGG和f?的值設置IBDG無功參考值,并轉入第一步。
[0071] 需要說明的是,上述電壓和頻率門檻值可以參照被動檢測法0VP/UVP和0FP/UFP法 中的門檻值進行設定。
[0072]上述適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法,根據(jù)系統(tǒng)頻率值自適應改變 無功擾動斜率,減小了系統(tǒng)正常運行時的無功擾動量。該方法能夠保證在正常頻率運行范 圍內(nèi)恒存在無功不匹配,因此不存在檢測盲區(qū)。另外,不同位置的IBDG能夠檢測到相同的系 統(tǒng)頻率,在不依賴通信的前提下就能夠保證擾動的同步性,從而保證了檢測方法的可靠性 和有效性。同時,本發(fā)明具有通用性,既適用于整功率因數(shù)運行的IBDG,也適用于為本地負 荷提供無功補償?shù)腎BDG。本發(fā)明也具有一定的電壓質量調節(jié)能力。
[0073]以上內(nèi)容僅為本發(fā)明的實施例,其目的并非用于對本發(fā)明所提出的系統(tǒng)及方法的 限制,本發(fā)明的保護范圍以權利要求為準。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,本領域 技術人員在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下,對其進行的關于形式和細節(jié)的種種顯而 易見的修改或變化均應落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種適用于多逆變器型微電網(wǎng)的快速孤島檢測方法,該方法在實時測量PCC處電壓 有效值VPCC及其頻率f和負載無功功率如。 3(1的基礎上,通過比較電壓測量值VPCC與正常情況 下電壓額定值Vn、頻率f?與其額定值50Hz的大小情況,采取相應的IBDG無功控制策略: 1) 當f大于或等于50Hz時,需根據(jù)Vra和VN比較結果確定IBDG無功參考值;若Vra大于或 等于VN,則設置IBDG輸出的無功功率為;否則,設置 IBDG輸出的無功功率為 QDG = -h (f-49.2) +QL〇ad; 2) 當f小于50Hz時,也根據(jù)和VN比較結果確定IBDG無功參考值;若Vra大于或等于VN, 則設置IBDG輸出的無功功率為QDG = -ki (f-50.6) +QL〇ad;否則,設置IBDG輸出的無功功率為式中,k#Pk2為無功控制策略中可調變量,其值均為正數(shù);另外,根據(jù)f的大小自適應改 變ki取值,設置如下:式中,Pdg為DG輸出的有功功率,當系統(tǒng)頻率f?滿足| f-50 | >0.1Hz時,若在一定時間內(nèi)頻 率沒有超出頻率門檻值,則ki仍取為0.0 IPdg ; 在進行孤島判斷時,首先預設電壓門檻值和頻率門檻值,并將Vpcc與電壓門檻值進行比 較,若超出電壓門檻值,則直接判定為孤島狀態(tài),結束本輪的孤島檢測;否則,將所測得的頻 率f與頻率門檻值進行比較,若超出頻率門檻值,則判定為孤島狀態(tài)。
【文檔編號】G01R31/00GK106053987SQ201610414617
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】陳曉龍, 李永麗
【申請人】天津大學