个人基本情况汇报
个人简介
沈欣炜，清华大学电机系博士，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。研究方向为电力系统与综合能源/海洋可再生能源优化。已发表SCI文章30余篇，主持国家自然科学基金2项，深圳市优青1项，广东省海上风电联合基金面上项2项。
研究背景和现状
国家重大战略需求
国家层面政策鼓励大容量与规模化深远海与漂浮式海上风电开发，推动风电协调快速发展。随着近海风电开发饱和，海风提出，统筹优化海风布局，推海风基地建设，稳妥有序推动海上风电向深水远岸发展。
海风发展的“卡脖子”问题
经济性
海上风电LCOE平准化度电成本体现海上风电综合经济效益，2024中国海上风电LCOE=0.46元/kWh，远高于煤电（0.26元/kWh）。深远海风能资源条件相对较好，但设计，设施，运输、施工运维成本远高于近海，降本增效需求更加迫切。
可靠性
海上风电场各设备故障率及修复时间统计显示，风机/集电设备复杂、故障率高，海上风电场运维存在窗口期，平均修复时间（MTTR）长，导致严重的经济损失。
工业界的实践
欧洲知名海上风电建设商Vattenfall经过实践探索风机微观选址集电系统规划得出：数学优化在海风场尾流削减风机施工、发电量提升用钢量减少规划中应用得当，可为单个风场带来1000-1500万欧元的显著经济效益。
学术界的讨论
风机微观选址
- 微观选址模型分类：参数尾流模型、机理模型、模型网格化模型、连续坐标模型。
- 两阶段混合优化模型：第一阶段采用数学规划方法求解风机微观选址网格化模型，第二阶段采用启发式算法在网格内进一步优化风机坐标。
- 考虑规则布局的优化模型：结合实际工程案例，旋转坐标法标准规则布局，在规则布局中增加额外风机或移除风机。
集电系统规划
- 集电系统=Electrical Collector System, ECS。
- 基于改进CVRP的集电系统规划优化建模方法：综合考虑ECS拓扑选型及可靠性进行联合规划。
- 集电线路优化规划：对环状拓扑采用CVRP模型，对辐射状拓扑采用MILP热启动计及网损的MIOP优化海缆选型，对无预定义拓扑采用可靠性嵌入的两阶段随机规划模型。
海风制氢系统配置
- 陆上集中式电解、海上变电站、海上平台集中式电解、海上平台分布式电解。
- 考虑微观选址的制氢环节优化规划：两阶段随机优化模型，目标函数为LCOH或年化支出（EA）。
- 考虑管道/船舶路径的输氢环节优化规划：两阶段优化方法，第一阶段利用基于网格的MILP模型优化集氢站的位置和管道输氢管道成本，第二阶段采用SQP算法优化集气站的位置。
- 港口原位制取-加注绿醇系统优化规划：目标函数为最小化平准化甲醇成本LCOM。
已开展的研究
关键挑战与科学问题
数学优化理论在海风全生命周期应用关键挑战在于：风机微观选址、集电系统规划、风-氢系统规划。核心科学问题：复杂组合优化问题的建模与求解。
研究内容
1. 风机微观选址
- 难点：如何考虑规则排布需求，选取合适网格规格，结合精细化尾流效应进行风机排布优化。
- 方法：网格化风机排布，引入旋转坐标思路，数学优化MIP+元启发式，大幅提升计算效率和规划结果最优性。
- 两阶段混合优化模型：第一阶段采用数学规划方法求解风机微观选址网格化模型，第二阶段采用启发式算法在网格内进一步优化风机坐标。
- 考虑规则布局的优化模型：结合实际工程案例，旋转坐标法标准规则布局，在规则布局中增加额外风机或移除风机。
2. 集电系统规划
- 难点：如何考虑可靠性需求等复杂目标/约束优化大规模风场集电系统。
- 基于改进CVRP的集电系统规划优化建模方法：综合考虑ECS拓扑选型及可靠性进行联合规划。
- 集电线路优化规划：对环状拓扑采用CVRP模型，对辐射状拓扑采用MILP热启动计及网损的MIOP优化海缆选型，对无预定义拓扑采用可靠性嵌入的两阶段随机规划模型。
- 算例分析：30台风机和91台风机算例，验证所提方法的有效性和扩展性。
3. 风氢系统优化
- 难点：在目前的技术水平下，如何通过优化手段进一步降低海上风电制氢的成本。
- 制氢环节：考虑微观选址的制氢环节优化规划，两阶段随机优化模型，目标函数为LCOH或年化支出（EA）。
- 输氢环节：考虑管道/船舶路径的输氢环节优化规划，两阶段优化方法，第一阶段利用基于网格的MILP模型优化集氢站的位置和管道输氢管道成本，第二阶段采用SQP算法优化集气站的位置。
- 用氢环节：港口原位制取-加注绿醇系统优化规划，目标函数为最小化平准化甲醇成本LCOM。
- 案例设置：优化结果对比，探究联合优化经济潜力。
总结
整体思路及理论支撑
- 风机微观选址：综合考虑尾流效应、规布局需求等多方面因素，进行海上风电微观选址优化，对风电机组的选型及排布进行最优决策，同时作为后续集电系统规划以及运维计划决策的模型架构基础。
- 海上风电集电系统拓扑优化设计方法：计及可靠性需求、传输功率平衡等复杂约束，在风机排布确定后、进一步优化其线路建设方案、降低建设成本。
- 海风场电-氢系统规划：考虑海风制氢系统不同环节（如制氢、输氢、用氢等）与地理环境耦合的拓扑/结构，全面提升海风经济性。
未来应用展望
- 迈向漂浮式、深远海：深远海固定式基础建设成本呈指数增长，不再具备成本优势，新的发展趋势*：漂浮式+动态海缆+PowertoX。为海风的复杂系统优化带来新挑战。
