王秀麗 ， 張小亮， 寧聯(lián)輝， 朱衛(wèi)平， 王錫凡

(1.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049;2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

分頻輸電在海上風(fēng)電并網(wǎng)應(yīng)用中的前景和挑戰(zhàn)

王秀麗1， 張小亮1， 寧聯(lián)輝1， 朱衛(wèi)平2， 王錫凡1

(1.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049;2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

通過比較3種風(fēng)電并網(wǎng)方式，指出了分頻輸電系統(tǒng)(FFTS)在大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用前景。介紹了分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和變頻器的選擇，對比表明了模塊化多電平矩陣式換流器(M3C)作為新一代變頻器優(yōu)良性能。分析了低頻環(huán)境對分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)中關(guān)鍵性設(shè)備的影響，進一步從設(shè)備角度表明分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。最后指出分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)中仍需解決的經(jīng)濟技術(shù)難題，為進一步研究指明了方向。

海上風(fēng)電；分頻輸電；并網(wǎng)；經(jīng)濟性

隨著能源枯竭以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重，世界各國越來越重視新能源的開發(fā)與利用[1]。風(fēng)力發(fā)電是新能源利用中技術(shù)最成熟、最具開發(fā)條件的形式之一，而海上風(fēng)電具有資源豐富、風(fēng)能穩(wěn)定、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地和適宜大規(guī)模開發(fā)以及對環(huán)境影響小等特點，受到中國及歐美發(fā)達國家越來越多的重視。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，下一代近海風(fēng)電場的位置距海岸的距離有望達到300 km,單個風(fēng)電場的容量可能達到兆瓦級別，大容量遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電將是未來海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的趨勢。如何實現(xiàn)大容量風(fēng)電遠(yuǎn)距離傳輸及并網(wǎng)是一個極具現(xiàn)實意義而又亟待解決的問題。目前受到廣泛關(guān)注的風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸送及并網(wǎng)方式主要有3種[2]：高壓交流輸電(high voltage alternating current, HVAC)、高壓直流輸電(high voltage direct current , HVDC)以及分頻輸電(fractional frequency fransmission system, FFTS)技術(shù)。本文通過對3種輸電方式簡要的對比，指出FFTS在海上風(fēng)電并網(wǎng)中的優(yōu)勢,并介紹了分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和換流器的選擇，以及低頻環(huán)境對輸電系統(tǒng)中關(guān)鍵性設(shè)備的影響。

1 3種風(fēng)電并網(wǎng)方式的簡介

HVAC采用傳統(tǒng)的工頻輸電方式，無需將風(fēng)機發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為低頻或者直流電能，這種輸電方式結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且有著多年豐富的運行和實踐經(jīng)驗，在近距離小容量風(fēng)電輸送和并網(wǎng)方面有著較大的優(yōu)勢。由于風(fēng)電是經(jīng)海底電纜傳輸?shù)?，海底電纜相較于普通的架空輸電線路而言，電抗降低且電容增大，隨著輸電距離及輸電容量的增加，電纜中的容性充電電流將急劇增加，導(dǎo)致線路損耗增大，線路容量的有效利用率大大降低[3]。所以HVAC難以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離和大容量風(fēng)電輸送和并網(wǎng)。

對于中遠(yuǎn)距離風(fēng)電輸送及并網(wǎng)，目前大多采用高壓直流輸電(HVDC)[4]。采用直流輸電,避免了電纜容性充電電流的影響，增大了電能的傳輸距離和容量。早期直流輸電工程大多采用二電平或者三電平的電壓源換流器，但由于電平數(shù)過少，導(dǎo)致諧波含量過高和開關(guān)損耗過大等問題。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)[5]通過多個子模塊的疊加，容易實現(xiàn)較高的直流電壓，并且具有輸出電壓諧波含量低、開關(guān)損耗低、故障穿越能力強等優(yōu)點?；贛MC的VSC-HVDC雖然有望成為風(fēng)電并網(wǎng)的主流方式,但是在VSC-HVDC海上風(fēng)電并網(wǎng)方式中的一些固有缺陷，降低了其應(yīng)用于工程實際的經(jīng)濟性和可靠性。圖1為VSC-HVDC海上風(fēng)電并網(wǎng)的基本拓?fù)?，由于在電能傳輸過程中要實現(xiàn)從交流到直流再到交流的2次電能變換，所以必須建造陸上和海上2個換流站。其中海上換流站的建造，無論在技術(shù)難度還是投資成本上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸上換流站，并且運行維護的費用也高，很大程度上降低了VSC-HVDC用于海上風(fēng)電并網(wǎng)的經(jīng)濟性。此外，由于直流斷路器等技術(shù)難題尚未得到有效解決，造成短期內(nèi)風(fēng)電直流并網(wǎng)只能在海上換流站和陸地?fù)Q流站之間以點對點的方式進行，從而帶來可靠性較低和故障率高等一系列問題[6]。

綜合比較HVAC和HVDC的優(yōu)缺點，第三種海上風(fēng)電并網(wǎng)方式FFTS，為大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)提供了更為經(jīng)濟、有效的選擇。FFTS是西安交通大學(xué)王錫凡院士于1994年首次針對遠(yuǎn)距離水電開發(fā)提出的一種新型輸電方式[7]，二十幾年來已從FFTS的構(gòu)成形式、基礎(chǔ)理論分析、數(shù)據(jù)模型建立、數(shù)學(xué)仿真計算及經(jīng)濟效益分析等方面展開研究，并進行物理實驗驗證[8-12]。結(jié)果表明，與HVAC相比，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)由于頻率的降低，使得海底電纜的容性充電電流顯著減小，從而提高了電纜的電流容量，功率傳輸?shù)木嚯x和傳輸容量都大為提高。與HVDC相比，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)只需要在陸地側(cè)建造一個換流站，這就使得換流站建設(shè)的一次性投資大為減少，降低了維護和運行費用。此外，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)中無需研發(fā)新的斷路器可直接使用現(xiàn)有的交流斷路器，這在一定程度上降低了風(fēng)電經(jīng)FFTS并網(wǎng)的技術(shù)難度。

圖1 海上風(fēng)電經(jīng) VSC-HVDC并網(wǎng)的基本拓?fù)?/p>

2 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)

2.1 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示，為分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的基本拓?fù)?。與圖1相比，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)無需海上換流站，大大降低了換流站建設(shè)的一次性投資，以及運行和維護的成本。其次，從電能發(fā)出到并網(wǎng)的全過程，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)只需進行三級換流(整流或者逆變)，而VSC-HVDC風(fēng)電系統(tǒng)中則需要進行四級換流，故分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的換流損耗更小。

圖2 海上風(fēng)電經(jīng)FFTS并網(wǎng)的基本拓?fù)?/p>

2.2 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)變頻方式的選擇

頻率變換是FFTS中最重要的環(huán)節(jié)，故變頻器是FFTS中最核心的設(shè)備之一。一直以來對變頻器的研究一直是FFTS領(lǐng)域的熱點。用于FFTS中的變頻器主要有2類：

(1) 基于晶閘管的交交變頻器——其拓?fù)淙鐖D3所示。由于采用的是半控型器件晶閘管，其成本較低，可靠性高，易于實現(xiàn)大規(guī)模功率變換[13]。然而其控制不如全控型器件靈活，諧波含量和波形畸變率較高，為實現(xiàn)較高的電能質(zhì)量需加裝額外的濾波和無功補償裝置，這會導(dǎo)致成本的升高。除此以外，基于晶閘管的交交變頻器存在換相失敗問題[14]，極大限制了故障穿越能力，從而限制了其在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用。

圖3 交交變頻器的基本拓?fù)?/p>

(2) 基于全控型器件的模塊化多電平矩陣式變換器——模塊化多電平矩陣式換流器(mudular multilevel matric conevrter, M3C)[15]自提出之日起便受到學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。M3C共有9個橋臂，分別連接兩側(cè)的交流系統(tǒng)，其中左側(cè)是工頻電網(wǎng)，右側(cè)可以是海上風(fēng)電經(jīng)FFTS輸送的低頻網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的交交變頻器相比，M3C采用全控型的IGBT，

圖4 M3C基本拓?fù)?/p>

能夠獨立控制交流側(cè)的有功和無功功率，具有黑啟動能力，更加靈活和復(fù)雜的開關(guān)模式能夠降低諧波含量，從而無需或者減少額外的濾波裝置，降低投資，交流側(cè)具有較強的故障穿越能力。橋臂采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使其很容易適用于高電壓、大功率的場合，還能夠增加兩側(cè)所聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而M3C被譽為新一代的變頻器。

2.3 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的主要電氣設(shè)備

由于頻率的降低，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)中電氣設(shè)備的工作環(huán)境與HVAC和VSC-HVDC中都有所區(qū)別，其參數(shù)和性能也會有所不同，部分設(shè)備的參數(shù)需要進行調(diào)整甚至重新設(shè)計。

2.3.1 發(fā)電機

現(xiàn)代風(fēng)電并網(wǎng)中運用最廣泛的風(fēng)機類型有永磁直驅(qū)風(fēng)機(PMSU)和雙饋異步風(fēng)機(DFIU)2種，都屬于變速恒頻風(fēng)機。其中PMSU通過1個交直交換流器連接到系統(tǒng)，由于直流環(huán)節(jié)的存在，起到了隔離作用，風(fēng)機的工作不受低頻側(cè)的影響，可以直接使用現(xiàn)有的風(fēng)電機組。對于DFIU，由于不存在直流的隔離作用，頻率的降低會導(dǎo)致DFIU的體積增大，成本升高；另一方面，頻率的降低也大大降低了齒輪箱變速比，甚至可以省去齒輪箱，不但降低了成本而且還提高了系統(tǒng)的可靠性。研究表明單個分頻DFIU機組成本相較工頻降低5.2%[16]?？偠灾瑹o論選用哪種風(fēng)機，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)都不會增加風(fēng)機的成本，甚至可能降低成本并且增加系統(tǒng)的可靠性。

2.3.2 變壓器

分頻風(fēng)電系統(tǒng)中最大的挑戰(zhàn)之一就是變壓器。工作在低頻環(huán)境下的變壓器，為了避免磁飽和需要增大鐵芯的截面積，使得變壓器的質(zhì)量和體積都增加，這在一定程度上，增加了成本；另一方面，由于頻率的降低，變壓器自身損耗降低，對散熱的要求也降低，綜合考慮兩方面的因素，有研究表明變壓器的成本將增加70%左右[17]。為了便于運輸，增加變壓器運行的可靠性，可以考慮使用3個單相變壓器來構(gòu)成所需的三相變壓器。

2.3.3 電纜

無論采用何種風(fēng)電并網(wǎng)方式，海底電纜都是最關(guān)鍵性的設(shè)備之一。交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜有著低成本、低維護費用、無火災(zāi)威脅和環(huán)境友好等優(yōu)勢，故在交流輸電系統(tǒng)中逐漸取代了傳統(tǒng)的充油電纜[18]。

研究和實踐經(jīng)驗都表明，當(dāng)這種電纜用于直流輸電系統(tǒng)時，隨著電壓等級的升高，空間電荷的累積顯著增加，最終導(dǎo)致絕緣的損壞[19]，所以直流XLPE電纜的故障率遠(yuǎn)高于交流XLPE電纜，限制了實際直流系統(tǒng)的電壓等級。由于海底電纜故障診斷、運輸和維修都十分復(fù)雜和困難，所以一旦遇上故障，整個輸電系統(tǒng)的輸送容量會減半甚至被迫完全關(guān)閉，這必然會帶來極大的經(jīng)濟損失和能源的浪費。解決這一問題最有效的方式為采用多端結(jié)構(gòu)，然而直流斷路器和直流變壓器的研制工作尚未解決，造成短期內(nèi)風(fēng)電直流并網(wǎng)只能在海上換流站和陸地?fù)Q流站之間以點對點的方式進行，在很大程度上降低了風(fēng)電經(jīng)VSC-HVDC并網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性。

FFTS與傳統(tǒng)的HVAC相比，只是頻率有所降低，其他方面并無本質(zhì)區(qū)別，故XLPE電纜可以直接用于分頻風(fēng)電系統(tǒng)，而無需研發(fā)新的電纜。由于頻率的降低，XLPE的輸送容量有所下降，但文獻[6]中的實際工程算例表明，一條三相的245 kV的交流XLPE電纜可以將超過600 MW的電能輸送至 400～500 km的距離，已經(jīng)超過現(xiàn)有的和規(guī)劃中絕大多數(shù)單個海上風(fēng)電場總裝機容量和輸送距離。其次交流斷路器和交流變壓器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，交流并網(wǎng)很容易構(gòu)建多端網(wǎng)絡(luò)，故不存在上述直流并網(wǎng)的諸多問題。

3 分頻海上風(fēng)電所面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)前文所述，分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)提供了一種全新的思路，與傳統(tǒng)的HVAC和現(xiàn)階段主流的VSC-HVDC相比具有鮮明的特點和優(yōu)勢。文獻[20]通過具體的算例，從技術(shù)性能和經(jīng)濟性角度，對3種并網(wǎng)方式做了詳細(xì)的比較，結(jié)果表明FFTS不僅能滿足當(dāng)前海上風(fēng)電的并網(wǎng)需求，而且在大部分案例中的經(jīng)濟性均優(yōu)于HVDC。

分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)在理論上具有一系列的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢，但要真正投入工程實際，經(jīng)濟、高效地解決大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)問題，尚有一些經(jīng)濟技術(shù)問題需要解決和優(yōu)化。

3.1 海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)分析和規(guī)劃設(shè)計

海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)分析和規(guī)劃設(shè)計需要解決以下3個方面的技術(shù)問題。

(1) 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)濟區(qū)間計算。海上風(fēng)電工程的建設(shè)成本很大程度上受當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件的影響，分散性大，如何綜合考慮這些因素，得出分頻海上風(fēng)電經(jīng)濟區(qū)間的一般性結(jié)論，是提高分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)經(jīng)濟性需要解決的一個難點。

(2) 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)最佳運行頻率和額定電壓等級標(biāo)準(zhǔn)制定。分頻系統(tǒng)的頻率和電壓可在一定范圍內(nèi)變化?？偟膩碚f，更低的頻率可以進一步提升交流線路的輸電能力，但也增加了變壓器等電磁設(shè)備的成本、體積和重量。如何綜合考慮海上風(fēng)電和海底電網(wǎng)長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，制定分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的最佳運行頻率頻率和電壓等級標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的經(jīng)濟最優(yōu)，是研究的另一個難點。

(3) 集電系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。當(dāng)前集電系統(tǒng)設(shè)計方面的研究主要是針對陸地工頻風(fēng)電場。在這一應(yīng)用背景下，發(fā)熱是限制電纜傳輸容量的主要因素。但在海上風(fēng)電場中，海洋環(huán)境成為影響電纜容量的主要因素。分頻電纜、斷路器的特點與工頻電纜、斷路器有所不同。此外，部分地區(qū)不適合施工，傳統(tǒng)的接線方案需要變通，通用的集電系統(tǒng)設(shè)計及方案，可靠性評估與經(jīng)濟性比較方法亟待研究。

3.2 海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)關(guān)鍵變頻設(shè)備研發(fā)

分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一就是變頻器。作為新一代的變頻器，M3C具有一系列性能上的優(yōu)勢，但由于M3C具有9個橋臂，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這就使得分析其穩(wěn)態(tài)工作時輸入輸出端和各橋臂電壓、電流、功率等電氣量的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立其穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型變得十分困難。其次，M3C連接的是2個不同頻率的交流系統(tǒng)，這就意味著橋臂電流中將同時包含2種不同頻率的分量，如何實現(xiàn)這2種頻率分量的解耦控制是亟需解決的問題。除此之外，直流電容均壓、環(huán)流等都增加了M3C控制的復(fù)雜性。目前對該換流器的研究還不夠深入，這是分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)投入實際工程的另一個難點。

3.3 海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)的控制與保護研究

分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)通過全功率換流器與陸地電網(wǎng)相隔離，因此分頻電網(wǎng)的運行與微網(wǎng)的孤島模式十分相似，這給分頻電網(wǎng)的潮流控制、保護整定與穩(wěn)定性控制帶來了挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)控制與保護的有效性，需進行以下方面的研究。

(1) 海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)運行特性研究。深入分析海上多端分頻電網(wǎng)及換流器的穩(wěn)態(tài)運行特性，針對海上分頻風(fēng)電加入某實際系統(tǒng)的應(yīng)用場景，研究其典型運行方式下控制器參數(shù)對系統(tǒng)運行特性的影響。

(2) 海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性分析和保護方法研究。通過海上分頻風(fēng)電接入實際電網(wǎng)的算例，研究換流站的故障機理，以及不同線路連接方式下線路故障機理；開展分頻電網(wǎng)故障類別判斷及故障點快速定位技術(shù)研究，給出故障點隔離、清除及恢復(fù)方法。以此為基礎(chǔ)，開展分頻風(fēng)電的保護配置方案，并對所提故障暫態(tài)特性分析和保護方法的有效性進行驗證。

(3) 海上分頻風(fēng)電系統(tǒng)故障穿越特性研究。建立換流器在電網(wǎng)電壓跌落及過電壓時的數(shù)學(xué)模型，深入分析電壓跌落尤其是不對稱跌落時負(fù)序和零序電壓對變頻器穩(wěn)態(tài)運行的影響，設(shè)計換流器故障穿越時的控制算法。

4 結(jié)束語

本文介紹了分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、換流器的選擇和低頻環(huán)境對重要設(shè)備的影響。比較了3種常用輸電方式在海上風(fēng)電并網(wǎng)中的優(yōu)劣勢。FFTS通過降低輸電頻率，極大地提高了電纜的輸送容量和距離，克服了傳統(tǒng)的HVAC無法通過海底電纜遠(yuǎn)距離輸送風(fēng)電的問題。同時低廉的換流站建設(shè)成本和運行維護費用，較高的運行可靠性使得FFTS相比于HVDC更具優(yōu)勢。此外，還從現(xiàn)階段實際情況出發(fā)，指出了FFTS實際投入海上風(fēng)電并網(wǎng)中所需要解決的經(jīng)濟技術(shù)問題，主要包括變壓器等電磁設(shè)備的成本問題、分頻海上風(fēng)電經(jīng)濟區(qū)間的劃分問題、最佳運行頻率和電壓等級的確定問題、換流器的控制問題以及分頻電網(wǎng)的潮流控制、保護整定和穩(wěn)定性控制等問題，為進一步研究指明了方向。

目前，國內(nèi)外對FFTS在大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)中應(yīng)用的關(guān)注度越來越高。國內(nèi)眾多科研機構(gòu)及高校中，以西安交通大學(xué)為代表，已經(jīng)和國網(wǎng)公司開展了關(guān)于“分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)研究“的項目合作。相信在不久的將來，F(xiàn)FTS將能理論走向?qū)嶋H，徹底解決大規(guī)模海上風(fēng)電并網(wǎng)的難題。

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王秀麗

王秀麗(1961 —)，女，河南信陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析、規(guī)劃；

張小亮(1993 —)，男，安徽合肥人，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其新型輸電方式的分析與控制；

王錫凡(1936 —),男，河北安平人，中國科學(xué)院院士，教授，博士生導(dǎo)師，IEEE Fellow，主要研究方向:電力系統(tǒng)分析、規(guī)劃及電力市場;

寧聯(lián)輝(1979 —)，男，陜西西安人，副教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其新型輸電方式的分析與控制；

朱衛(wèi)平(1983 —)，男，江蘇南京人，工程師，從事配電系統(tǒng)及新能源接入分析工作。

Application Prospects and Challenges of Fractional Frequency Transmission System in Offshore Wind Power Integration

WANG Xiuli1, ZHANG Xiaoliang1, NING Lianhui1, ZHU Weiping2, WANG Xifan1

(1.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

Through the comparison of three methods for the grid interconnection of offshore wind power, this paper pointed out the application prospects of fractional frequency transmission system (FFTS) in large-scale offshore wind power integration. Besides, this paper introduced the structure of fractional wind power system and the choice of inverter and showed the excellent performance of modular multilevel converter (M3C ) as a new generation inverter. Moreover, this paper analyzed the influence of low frequency on the critical machines used in fractional offshore wind power system, which furtherly shows the feasibility, economical advantages and technological advantages of the fractional offshore wind power system. Finally, some economical and technological problems remaining unsolved of the fractional offshore wind power system were pointed out, which indicated the direction for further study.

offshore wind power; FFTS; grid connection; economy

2016-10-19；

2016-11-23

國家自然科學(xué)基金項目(51307136)

TM71

A

2096-3203(2017)01-0015-05