随着传统化石燃料(如煤、石油等)的快速消耗,它们的存储量日渐枯竭且伴随着温室效应和环境等问题日益严重,因此对可再生的清洁能源的需求迫在眉睫。在风能、太阳能、潮汐和地热等可再生清洁能源中,风能绿色环保,是当今环境友好型发电的主要来源,同时它有较高的发电效率,具有与其他发电方式相比拟的竞争力。不同于陆上风电场,海上风电场因其风速较大、湍流较小、不受土地面积的限制、能缓解噪声对周围环境的影响和减少涡轮机的疲劳负荷等优势成为近年来投资风场建设的主要对象。但是建设海上风电场会带来昂贵的海洋处理、安装、运行和维护等费用,这将较大程度地阻碍海上风电场的发展。为了实现海上风电场效益最大化,即最小化海上风电场成本以及最大程度地提高其总年产能,本文围绕海上风电场风电机组选型、位置布局和控制等优化问题对其理论与技术研究方面开展了如下工作:(1)提出了适用于单台风电机组选型的能量成本优化方法,并对其方法的准确性和适用性展开研究和分析。能量成本指的是成本与风电机组总年产能的比值,基于最小能量成本选型方法被广泛应用于研究风电场的经济效益问题。现有的基于能量成本风电机组选型方法主要广泛应用于特定的陆上风电场,其采用的成本函数简化了成本模型,年产能函数忽略了风速在不同轮毂高度的变化。这些方法精确性低,且在海上风电场机组选型中应用相当缺乏。针对上述不足,本文提出一种更加精确的反映了风资源和风电机组参数变化的能量成本模型,同时也提出计算最小能量成本的迭代计算方法。仿真验证表明所提出的基于能量成本模型的机组选型方法不管是应用于不同风速的风电场还是应用于特定风电场都能选取最大化效益相对应的合适机型。该方法可为工程前期提供较为理想的机型数据。(2)在上述能量成本模型的基础上,提出一种综合风电机组机型和风电场位置布局的能量成本模型。诸多现有研究忽略尾流效应和风场位置布局的影响,使用单台风电机组能量成本模型代替整个风场能量成本模型,或者仅研究了固定风电机组机型在考虑尾流效应和布置优化条件下的能量成本函数。这些方法简化计算难度和复杂度,忽略了两者对能量成本的共同作用。为了使得所建立的模型更加精确,本文在采用高效的优化算法和优化策略计算选取最优的海上风机位置以及在改进的NREL成本模型的基础上考虑尾流效应、风资源分布的能量成本模型。综合考虑机组选型、风电场成本、位置布局和风资源分布四个因素对海上风电场效益的影响,并从理论和技术两方面对最大化效益进行了详细的研究和分析。(3)提出一种采用穷举法来实现固定风电机组位置布局基础上的最大化有功功率输出的方法。通常,单台风电机组采用最大功率点跟踪用以实现最大化有功率输出。但是在风电场中,下游风电机组受到上游风电机组的尾流效应的影响,其有功功率输出会显著降低。本章节通过协调优化控制上游风电机组的叶尖速比和桨距角,用以改变风电场的尾流分布,从而降低了下游风电机组有功功率损耗,使得海上风电场有功功率之和最大化。(4)开展选定风电机组机型的海上风电场布置及控制综合优化的研究。为了解决采用穷举法给最大化有功功率输出带来的计算量大且复杂的问题,提出了一种基于聚类分组的海上风电场协调控制方法。首先,根据不同风向角将风电场内的风电机组进行区域划分,保证同区域的风电机组的入流风速和尾流场相同。然后,采用穷举法通过优化不同区域的个别风电机组,使得同一区域的风电机组可以采用同一组叶尖速比和桨距角。最后,实现海上风电场的总有功功率输出最大化。结合海上风电场开发所面临的最大化经济效益问题,本文系统地从风电机组选型、布置和控制三个方面展开了研究,揭示了风电机组型号和位置布局对风电场成本的影响规律,同时也彰显了风电机组位置布局和控制对最大化风电场产能的内在机理。该研究成果给海上风电场建设提供了一定的理论和技术基础。