中文摘要：

风力发电是当今发展最快的新能源利用形式。近年来，大型海上风电场已经成为风力发电发展的新方向。海上风电场集电系统由于海底电缆拓扑复杂多样，海上变电站选址定容随机性强以及海上可进入性差，设备维护与检修困难等原因，与陆上风电场在成本与限制条件等都存在较大差异。本研究以包含数百台风机、分布范围广阔、在整体上将呈现多个集电子区域和多个海上变电站的大型海上风电场为研究对象，针对海上风电场电气设备数量庞大与电网拓扑结构复杂多变等特点，首次将问题进行归纳，总结为离散变量优化和网路优化两个方面。拟运用超网络理论，确立海上风电场集电网络的数学描述方法，同时探索可靠性评估方法与基于EENS的经济性指标，结合风机与机群的短路电流特性，最终建立经济性最优的数学优化模型；然后以分层遗传算法为基础设计优化算法基本框架，并结合差分不等式与聚类算法对优化模型进行求解。为提高大型海上风电场的经济性和可靠性提供科学依据。

结论摘要：

海上风电是风电发展的重要方向。我国海上风资源丰富，东部海岸线紧邻能源需求大、并网条件好的经济发达区域，发展海上风电具有得天独厚的优势和巨大开发潜力。大型海上风电场中，包含内部电气网络和接入电力系统的风电场“集电系统”，由于涵盖了集电、变电和输电三个环节，不仅成本高昂（约占风电场总投资的17%），而且其可靠性将直接影响风电场电能的输出能力。这既是一个有待研究的具有非线性约束的非线性系统动态规划与优化问题，也是海上风电开发必须解决的实际工程问题。主要研究内容如下 1. 大型海上风电场集电系统特点与影响经济性、可靠性因素分析大型海上风电场电源多、分布分散、离岸距离远，集电系统设备多、规格多、设备选型与潮流、短路电流分布相互影响，具有多电压等级、多集电子区域的特点，规划与设计还需满足特殊的海上约束。影响其经济性的因素可以归纳为一组离散变量和一个两层的动态网络。影响其可靠性的因素除风资源、网络结构之外，还包括风电场的运维策略。 2. 大型海上风电场集电系统的经济性建模与可靠性评估方法研究本项目采用结构化分析方法获得集电系统成本影响因素之间的关系图，并结合图论理论对集电系统网络拓扑进行定义，构造了反映集电系统成本与一系列非线性约束的经济性优化模型；充分考虑运维策略、风资源及集电系统网络拓扑的影响，采用蒙特卡洛方法对包含可用率、期望电能损失的集电系统可靠性指标进行评估。研究结果显示，海缆拓扑选择对集电系统经济性、可靠性均有显著影响，是海上风电场集电系统优化的主要内容。而对于大规模远海风电场来说，海上变电站的选址定容是影响风电场集电系统设计的关键。 3. 基于图论与遗传算法的集电系统优化求解结合集电系统电气特征将集电系统优化问题分解为变电站层与中压集电系统层两个层次，采用模糊聚类算法、Voronoi图及遗传算法对该优化问题的不同方面进行求解。研究结果显示，这种结合自上而下的分层优化方法，能对大规模的优化问题进行降阶，既解决了穷举法优化拓扑结构的维数灾问题，又能较好地保证解空间的完整性。本项目共发表论文13篇，其中7篇为EI收录期刊论文；完成海上风电场电气系统优化系列软件登记2项；为7个海上风电项目提供技术支持服务；获上海市科技进步奖一等奖1项，省部级三等奖1项。本项目的研究成果为海上风电场电气系统规划与设计奠定了基础，为解决海上风电场集电系统优化设计问题提供理论与方法。