風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻控制策略研究

嚴(yán)干貴，王昱博，鐘誠，高揚(yáng)

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林省吉林市 132001)

風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻控制策略研究

嚴(yán)干貴1，王昱博1，鐘誠1，高揚(yáng)2

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林省吉林市 132001)

風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)中的滲透率逐年升高，其具有的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了不利影響。與此同時(shí)，儲能技術(shù)在近年來得到大力發(fā)展，其快速性和大范圍吞吐性可以彌補(bǔ)風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)所帶來的不利影響。首先對風(fēng)電和儲能系統(tǒng)的輸出特性進(jìn)行分析。其次針對風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電在遇到頻率波動(dòng)時(shí)不具備慣性的問題，提出了應(yīng)用儲能補(bǔ)償系統(tǒng)慣量，利用頻率變化率作為反饋輸入并調(diào)節(jié)慣量常數(shù)K，使風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)作為一個(gè)整體對外提供有功功率參與電網(wǎng)調(diào)頻，再利用Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了本文所提出控制策略補(bǔ)償系統(tǒng)慣量的有效性。最后仿真對比風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)參與電網(wǎng)調(diào)頻與風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻控制策略，得出風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的優(yōu)越性。

系統(tǒng)慣量；調(diào)頻；控制策略；風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)

0 引 言

近年來，受資源緊缺影響，各國開始大力發(fā)展新能源，風(fēng)能作為清潔能源得到廣泛應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到各國重視并得到快速發(fā)展。隨著風(fēng)電滲透率越來越高，其自身的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性對電力系統(tǒng)供電充裕性及頻率穩(wěn)定性帶來了一定的沖擊和挑戰(zhàn)[1-2]。同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率直接耦合，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，同步發(fā)電機(jī)擁有一定的慣性，能夠直接起到阻尼作用。而風(fēng)電機(jī)組則是利用變頻器控制，與電網(wǎng)頻率完全解耦，其轉(zhuǎn)子動(dòng)能被變頻器控制“隱藏”，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量認(rèn)為是0。為了使風(fēng)電機(jī)組能夠具有一定慣性并參與電網(wǎng)調(diào)頻，通常采取有功功率和無功功率獨(dú)立解耦控制，但這會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)等效慣量降低，其實(shí)質(zhì)是減弱了含風(fēng)力發(fā)電電力系統(tǒng)的調(diào)頻能力。

為了減小由于風(fēng)電滲透率的提高對整個(gè)系統(tǒng)調(diào)頻能力的影響，各國大力發(fā)展儲能技術(shù)使其能夠補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電。儲能技術(shù)因其自身具有快速響應(yīng)能力及大功率吞吐特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于平滑風(fēng)電場有功出力并抑制風(fēng)電功率波動(dòng)[3]、提高風(fēng)電機(jī)組阻尼[4]、增強(qiáng)低電壓穿越能力[5]、補(bǔ)償新能源系統(tǒng)虛擬慣量[6-7]等，使得風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場運(yùn)行特性[8]得到明顯改善。風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)后可以實(shí)現(xiàn)慣量控制并可得到與同容量同步發(fā)電機(jī)相似的性能，與此同時(shí)，也對電網(wǎng)調(diào)峰、削峰填谷以及改善用戶端的電能質(zhì)量有一定的作用[9]。風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)可以提高運(yùn)行穩(wěn)定性，發(fā)展前景被廣泛看好。

基于以上所述，本文提出在風(fēng)電場配置儲能裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略，風(fēng)電場只需配置較小容量的儲能裝置即可得到傳統(tǒng)電源的慣量和調(diào)頻能力，有助于提高風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻時(shí)的工程適用性以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電受到大力發(fā)展，但與此同時(shí)也帶來了諸多問題。由于風(fēng)電場出力會受到風(fēng)速影響，當(dāng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，風(fēng)電場單獨(dú)參與調(diào)頻效果比同步發(fā)電機(jī)參與調(diào)頻的效果差。因此，本文提出風(fēng)電場配置儲能電池參與電網(wǎng)調(diào)頻。風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)由風(fēng)電場配置儲能電池產(chǎn)生與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相近的調(diào)頻效果。在風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)中，考慮到風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，即以最大功率跟蹤方式(maximum power point tracking，MPPT)運(yùn)行，為了避免出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象并結(jié)合儲能系統(tǒng)自身的快速性及大范圍功率吞吐特點(diǎn)，通過控制儲能系統(tǒng)變流器，使其輸出功率參與電網(wǎng)調(diào)頻，而風(fēng)電場并未參與電網(wǎng)調(diào)頻。

在風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組一般采用永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)[10]，其由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generator，PMSG)、機(jī)側(cè)變流器以及網(wǎng)側(cè)變流器組成，如圖1所示。將儲能系統(tǒng)配置在風(fēng)電場出口并網(wǎng)點(diǎn)(point of common coupling，PCC)處，相比于將儲能系統(tǒng)連接在背靠背變流器直流母線上，本文所采取的方式將會減少一級能量變換，并且經(jīng)濟(jì)性更好，便于集中控制[11]。

2 儲能容量配置

為使風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)取代常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)電場所配置的儲能電池容量應(yīng)等于常規(guī)同步發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子釋放的動(dòng)能，這才會產(chǎn)生和同容量常規(guī)同步發(fā)電機(jī)一樣的慣量效果。對于風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)而言，頻率變化時(shí)，采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗允沟脙δ茈姵匕l(fā)出的功率和同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率相同，即二者對于系統(tǒng)而言產(chǎn)生相同的慣量，則說明二者具有相同的慣性響應(yīng)。由于電網(wǎng)頻率向上和向下的波動(dòng)情況相似，且向下波動(dòng)的范圍大于向上波動(dòng)的范圍，因此只需分析頻率向下波動(dòng)時(shí)，二者慣性響應(yīng)的情況即可。電力系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)，頻率下限為48 Hz，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍為0.96 pu (48 Hz)～1 pu(50 Hz)，則同步發(fā)電機(jī)能夠釋放的最大轉(zhuǎn)子動(dòng)能為

圖1 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)

式中：J為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωs為發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，存儲的轉(zhuǎn)子動(dòng)能為

(2)

式中：PN為發(fā)電機(jī)額定功率；TJ為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)。

假設(shè)儲能裝置在時(shí)間t內(nèi)釋放的能量與同步發(fā)電機(jī)釋放的能量相同，則

ΔEESS=ΔEkmax=PESSt=0.078 4PNTJ

(3)

式中：ΔEESS為所配置儲能裝置釋放的能量；PESS為所配置儲能裝置的有功功率。

假設(shè)t=TJ，則所配置儲能裝置的功率為

PESS=0.078 4PN

(4)

由公式(4)可知，只要對儲能系統(tǒng)采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，配置風(fēng)電場額定功率10%的儲能裝置(考慮到儲能裝置上下雙向調(diào)節(jié)情況，適當(dāng)放寬，滿足功率需求)，就可以使風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)慣量與同容量同步發(fā)電機(jī)慣量相等，而所需配置能量容量大小應(yīng)該滿足公式(3)，TJ一般取10 s[12]。所配置的儲能裝置不會對風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生任何影響，因此在實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻基礎(chǔ)上，使得電力系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

3 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻控制策略

3.1 風(fēng)電場單獨(dú)參與電網(wǎng)調(diào)頻

3.1.1 風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上機(jī)械輸入功率可由式(5)表示[13]。

(5)

式中：Pm為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上機(jī)械輸入功率；ρ為空氣密度，kg/m3；R為風(fēng)輪半徑，m；v為風(fēng)速m/s；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳距角。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp與λ和β的關(guān)系為：

(6)

(7)

(8)

式中ω為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rad/s。

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)傳動(dòng)模型為

(9)

式中：Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，N·m；Te為發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；F為摩擦粘滯系數(shù)，Pa·s。

3.1.2 風(fēng)電場單獨(dú)參與電網(wǎng)調(diào)頻控制策略

風(fēng)輪葉片和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行過程中會存儲很大的機(jī)械動(dòng)能，并可以轉(zhuǎn)換為有功功率參與電網(wǎng)調(diào)頻。常見的風(fēng)電場單獨(dú)參與電網(wǎng)調(diào)頻的方法有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制、頻率下垂控制、槳距角控制、模擬慣量控制以及協(xié)調(diào)控制。圖2為含有風(fēng)電場參與的電網(wǎng)調(diào)頻模型。

圖2 含風(fēng)電的電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)模型

當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)或者突然增減負(fù)荷時(shí)，電網(wǎng)平衡狀態(tài)將會被打破，頻率會出現(xiàn)偏差Δf。當(dāng)忽略傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)出功率時(shí)，由圖2可得到P和Δf的關(guān)系。

(10)

本節(jié)所描述的為通常情況下風(fēng)電場慣性控制策略，雖然可以在一定程度上起到對電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)作用，減小頻率波動(dòng)，但卻存在以下2個(gè)問題。

(1)風(fēng)能利用率下降。風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行在最大運(yùn)行方式下，但電網(wǎng)頻率下降時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會降低，偏離了最佳葉尖速比，風(fēng)能利用率降低，出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。

(2)調(diào)頻能力有限。由于風(fēng)速的隨機(jī)性，風(fēng)電場參與電網(wǎng)調(diào)頻會受到限制且頻率調(diào)節(jié)范圍有限。

3.2 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻控制策略

圖3展示了風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)的調(diào)頻控制策略。

圖3中：usd和usq分別表示定子電壓的d軸和q軸分量；isd和isq分別表示定子電流的d軸和q軸分量；Ps為發(fā)電機(jī)輸出有功功率；egd和egq分別表示電網(wǎng)電壓的d軸和q軸分量；isd和isq分別表示電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量；ugd和ugq分別表示網(wǎng)側(cè)變流器d軸和q軸的電壓分量；Kp、Ki、Kd表示慣量常數(shù)；fref表示頻率參考值。

由圖3可知，風(fēng)電場機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，經(jīng)過坐標(biāo)變換后，dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別采用直軸電流和交軸電流控制有功功率和無功功率。通過定子電流d軸分量來控制PMSG轉(zhuǎn)速，使其保持最佳葉尖速比運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

網(wǎng)側(cè)變流基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制。直流母線采用閉環(huán)控制，通過控制并網(wǎng)d軸電流來實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)控制并維持直流母線電壓穩(wěn)定，控制q軸電流來實(shí)現(xiàn)變流器向電網(wǎng)輸出無功功率。系統(tǒng)工作正常時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

本文提出的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻是將電網(wǎng)頻率變化率Δf作為整個(gè)風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的反饋環(huán)輸入量輸入到控制系統(tǒng)中，經(jīng)過比例―積分―微分(proportion-integral-derivative，PID)控制器來控制儲能系統(tǒng)輸出功率大小。PESS/egd作為反饋量與d軸給定電流igd做差再經(jīng)過比例積分器得到輸入電壓值，經(jīng)過與參考電壓值做差，得到儲能系統(tǒng)逆變器的控制量，及時(shí)將儲能系統(tǒng)輸出的有功功率送入電網(wǎng)當(dāng)中。因此，合理制定PID控制器中的慣量系數(shù)K將是控制策略的重點(diǎn)。

圖3 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻控制策略

PESS=KΔf

(11)

慣量系數(shù)K是根據(jù)負(fù)荷大小以及風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)需要發(fā)出有功功率的大小來制定，并使得調(diào)節(jié)后頻率不會出現(xiàn)越限情況。由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最大功率跟蹤狀態(tài)并不參與電網(wǎng)調(diào)頻，因此電網(wǎng)頻率變化需要風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)出的有功功率，實(shí)際就是儲能系統(tǒng)需要發(fā)出的有功功率，則有

PESS=ΔP

(12)

如果想得到與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)一樣的虛擬慣量效果，應(yīng)該使風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的時(shí)間與發(fā)電機(jī)慣量時(shí)間常數(shù)相近的前提下，發(fā)出與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)慣量[14]作用相同的能量，具有和等容量同步發(fā)電機(jī)一樣的慣性響應(yīng)能力，這也會對改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性起到一定作用。另外，合理配置儲能系統(tǒng)也將有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)商業(yè)化[15-16]投運(yùn)。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提出控制策略的可實(shí)施性，以我國東北電網(wǎng)為例，應(yīng)用Matlab/Simulink平臺仿真驗(yàn)證，搭建了如圖4所示的等值模型。取現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，等值同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)電場分別經(jīng)過升壓變壓器(66 kV/220 kV)接入到輸電線上，與此同時(shí)儲能系統(tǒng)配置在風(fēng)電場出口處，通過電力電子變流器接入系統(tǒng)。風(fēng)電場額定功率為500 MW，儲能系統(tǒng)額定功率為50 MW，同步發(fā)電機(jī)額定功率為1 000 MW，有功負(fù)荷為1 300 MW。

圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，在5 s時(shí)突然增加90 MW負(fù)荷，風(fēng)電場無慣量控制及配置儲能后有慣量控制的仿真結(jié)果如圖5—7所示。

圖5給出了2種情況下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，由圖5可見：無慣量控制的風(fēng)電場單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)頻率跌至48.45 Hz，而配置儲能電池后的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)具有一定的慣量，在負(fù)荷相同的情況下，其頻率跌至48.75 Hz，系統(tǒng)頻率最低值得到提高，配置儲能電池后的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)有效地改善了系統(tǒng)頻率變化特性。

圖5 增加90 MW負(fù)荷的系統(tǒng)頻率響應(yīng)

圖6 同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率

圖7 儲能系統(tǒng)發(fā)出有功功率

圖6給出了2種情況下同步發(fā)電機(jī)有功功率輸出情況。在無慣量控制情形下，風(fēng)電功率輸出一定時(shí)，同步發(fā)電機(jī)通過一次和二次調(diào)頻輸出有功功率，對系統(tǒng)頻率起到調(diào)節(jié)作用。而本文提出的風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)慣量控制使得風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)后具有相近于同步發(fā)電機(jī)的慣量，既可以快速響應(yīng)頻率跌蕩，大范圍吞吐有功功率又使得同步發(fā)電機(jī)有功功率輸出幅度有所減小并提供一定的備用容量。圖7所示為儲能裝置輸出功率，儲能裝置參與到電網(wǎng)調(diào)頻當(dāng)中。

在相同運(yùn)行工況下，系統(tǒng)有功負(fù)荷突減65 MW，對比無慣量控制和有慣量控制的仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，無慣量控制系統(tǒng)頻率上升到 50.95 Hz，而有慣量控制系統(tǒng)頻率則上升到 50.68 Hz。采用本文提出的控制策略后頻率上升幅度明顯減小，風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)慣量對于頻率波動(dòng)起到一定的阻尼作用，系統(tǒng)頻率特性得到明顯改善。

圖8 減小65 MW負(fù)荷的系統(tǒng)頻率響應(yīng)

5 結(jié) 論

(1)風(fēng)電場采用大約10%的儲能裝置即可使得整個(gè)風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)具有與同容量同步發(fā)電機(jī)相近的慣量。

(2)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷突變時(shí)，本文所提的控制策略能夠有效補(bǔ)償風(fēng)電場慣性，快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，同時(shí)能夠使得風(fēng)電場運(yùn)行于最佳葉尖速比狀態(tài)，避免出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，提高了整個(gè)風(fēng)電場的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

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(編輯 景賀峰)

Frequency Control Strategy for Wind Storage Combined System

YAN Gangui1，WANG Yubo1，ZHONG Cheng1，GAO Yang2

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Jilin Power Supply Company of State Grid Jilin Electric Power Supply Company, Jilin 132001, Jilin Province, China)

Wind power as a renewable energy power generation in the power grid has been increased year by year. However due to the randomness, volatility and intermittency, the characteristics of wind have adverse impacts on safe and stable operation of grid. At the same time, energy storage technology has also been developing in recent years, whose rapidity and large-scale throughput can make up for the negative impact of wind turbine operation. Firstly, this paper analyses the output characteristics of wind power and energy storage system. Secondly, we apply the inertia of energy storage technology compensation system for the problem that wind power does not have the inertia during frequency fluctuation; use the frequency rate of change as the feedback input and adjust the inertia constantK. The wind storage combined system as a whole part provides active power to participate in the frequency adjustment of grid. Thirdly,we use Matlab/Simulink simulation to verify the proposed control strategy compensating for system inertia. Finally, compared with wind turbines participating in power grid frequency modulation in the simulation diagram, the superiority that wind storage combined system involved in power grid frequency modulation is proved.

system inertia; frequency modulation; control strategy; wind storage combined system

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目) (2013CB228201)；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGLNSY00FZJS1500191)

TM 614

A

1000-7229(2016)12-0055-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.007

2016-07-05

嚴(yán)干貴(1971)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行分析與控制、電力電子技術(shù)等；

王昱博(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)儲并網(wǎng)參與系統(tǒng)調(diào)頻；

鐘誠(1985)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電與電力系統(tǒng)運(yùn)行分析；

高揚(yáng)(1990)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)車協(xié)調(diào)調(diào)度研究。

Project supported by Foundation of the National Basic Research Program of China (973 Program) (2013CB228201)