【清华大学_沈欣炜_】2024基于大规模混合整数规划的海上风电场集电系统优化报告_39页_12mb

基于大规模混合整数规划的海上风电场集电系统优化总结

个人基本情况

沈欣炜博士，现任清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院助理教授/博导/特别研究员，研究方向为电力与综合能源系统优化。其学术成果显著，累计被引2000余次，H指数26，担任多个重要学术职务，包括IEEE Senior Member、IEEE PES综合能源系统建模与规划工作组主席等。2023年荣获IEEE PES技术理事会青年人才奖。

研究背景和现状

国家重大战略需求

• 我国致力于实现“30·60”双碳目标，推动海上风电协调发展，完善海上风电产业链。
• 我国海风可开发容量预计达30亿千瓦，仅“十四五”期间新增装机将超过4400万千瓦，总投资高达7700亿元。未来10年，全球海风行业预计投资近1万亿美元。

海上风电发展挑战

• 海上风电逐步向深远海发展，使得集电系统（ECS）复杂度显著提升。
• 海上风电的平准化度电成本（LCOE）约为0.5元/kWh，高于煤电（0.26元/kWh），需通过优化提升经济性和可靠性。

海上风电场集电系统现状

• 工业界常用辐射状和环状拓扑结构，如英国Hornsea Project 1（1200MW）采用辐射状ECS，London Array（630MW）采用环状ECS。
• 优化规划可显著提升经济效益，如Vattenfall公司通过数学优化在单个风场节省1000-1500万欧元，部分案例中所提方法可节省2500万元人民币。

已开展研究工作

辐射状集电系统优化

• 候选线路获取：根据风机节点与周围节点的距离筛选候选海缆，减少不必要连接。
• 优化模型：建立混合整数二次规划（MIQP）模型，考虑海缆成本、运行网损和风机电量，通过热启动方法将问题简化为混合整数线性规划（MILP）以提升求解效率。
• 应用效果：
  • 优化后的ECS规划方案在两个风电场案例中平均节省上千万元。
  • 所提方法在计算效率和最优性方面优于传统启发式方法。

环状集电系统优化

• 模型构建：采用容量约束车辆路径规划（CVRP）模型，结合多旅行商问题（mTSP）模型，提高求解效率。
• 交叉海缆避免约束：通过几何判断避免交叉电缆，提高系统可靠性。
• 应用效果：
  • 环状ECS优化方案符合“N-1”原则，大幅降低故障损失。
  • 优化后的总成本降低26%，全生命周期效益显著。
  • 在不同风电场案例中，所提方法在可靠性评估和开关配置方面优于传统方法。

可靠性评估与开关配置

• 模型构建：采用混合整数线性规划（MILP）模型，通过虚拟故障流识别故障传播范围，优化故障后网络重构策略。
• 约束条件：包括潮流约束、虚拟故障流约束、故障率与修复时间等。
• 应用效果：
  • 通过可靠性解析评估，对故障率等参数进行灵敏度分析，指导开关配置。
  • 在不同风电场案例中，所提方法在可靠性评估和开关配置方面表现优异，计算时间显著优于随机蒙特卡洛方法。
  • 投资冗余电缆提升可靠性的边际效益递减，需在经济性与可靠性之间寻求平衡。

总结和展望

核心科学问题

• 复杂组合优化问题的建模与求解是海上风电集电系统优化的核心挑战。
• 需要解决变量维数灾、求解速度与结果最优性之间的矛盾。

已发表/在投论文

• 已发表和在投论文包括：
  • IEEE 5th Conf. on EI^2, 2021
  • IEEE Trans. on Sustainable Energy, 2023
  • Journal of Modern Power System and Clean Energy（已接受）
  • IEEE Trans. on Sustainable Energy（已投稿）
  • 中国电机工程学报（已投稿）

已申请专利（并PCT）

• 已申请专利包括：
  • 海上风电场集电系统的可靠性评估及规划方法
  • 一种海上风电场双面环形集电系统规划设计方法
  • 线性潮流模型、其优化方法及配电网运行稳定性评估方法

未来展望

• 理论与技术突破：
  • 提出基于MIP的可靠性评估和开关配置方法，提升系统经济性与可靠性。
  • 通过数学优化理论解决海上风电全生命周期中的复杂优化问题。
• 应用前景：
  • 数学优化理论将在海上风电的规划、运维等方面广泛应用。
  • 需解决风机间尾流效应、系统故障修复时间长、风机故障类型多样等挑战。

感谢与结语

• 感谢课题组成员丁骁驰、高闻浩、纪鑫哲等的辛勤付出。
• 感谢NSFC、广东省海风基金等科技项目的支持。
• 目标是将论文写在祖国的大海上，推动海上风电技术发展。