近年来,传统的煤电正在向更多种类的清洁能源发电逐步转型,加快了气电、水电、核电、光伏发电以及风电等多元化能源发电并举的局面。传统的单一供能网络缺少不同种类能源之间的相互协调,能源的利用率较低,能源之间必须相互协调才能够最优化资源配置,达到可持续发展的目的。因此,传统的能源供给系统必须要进行转型,能够满足多种能源互补运行的综合能源系统应运而生。同时,随着电力体制改革的逐步推进以及国家政策的大力支持,用户侧的资源逐步参与到了市场交易过程中,这使得相关的电力企业不仅仅在发输配售电等环节相互竞争,更应该看中全方位、综合性的能源服务。综合能源系统的优化运行仍然面临着很多问题,如多种能源之间的相互转换关系与多网络的耦合关系、系统中不确定性的建模分析、多能源需求响应的管理、多系统之间的协调管理与博弈等等。所以在市场的改革浪潮以及综合能源的大力发展背景下,本文在市场与运行等方面针对上述问题提出解决方案,从而为综合能源系统的发展提供有利的理论依据。本文主要研究内容和成果如下:针对区域综合能源系统的能量传输和能量转化,分别建立电-气网络模型和能源集线器模型,并分析系统运行中,风电、光伏以及综合需求响应带来的不确定性;分别从能源供给侧与需求侧入手,针对含有风能、太阳能、天然气等多种形式能源发电及包括电、热、气等多能源用户互补运行的系统,建立互补性评价指标体系,涵盖了可靠性、经济性、灵活性、环保性、可持续性以及舒适性等诸多方面。构建了基于电力库模式的电力-天然气联合市场同步运行机制;在该市场框架下,分别建立电力市场与天然气市场出清的双层优化模型。然后提出改进的对角化-交替方向乘子法对建立的嵌套双层模型进行求解,得到各市场参与者的市场行为以及系统的最优化运行结果。分析了可再生能源发电的不确定性、综合需求响应以及网络阻塞都会对市场出清结果以及系统优化运行结果带来的影响。针对于电力市场与天然气市场在调度计划时间上的不同步性,同时考虑了以综合能源服务商代表区域的综合能源系统参与市场,构建了电力-天然气两阶段异步运行市场机制,并建立了综合能源系统两阶段嵌套双层优化模型,提出了适用的改进交替方向乘子法进行求解。与同步市场相比,异步市场中的综合能源服务商购能成本更高,因此电力市场与天然气市场的同步化对于耦合系统的运行经济性、可靠性和灵活性都会有很大提升,也是未来能源市场的发展方向。针对于电力-天然气综合能源系统的弹性与可靠性的分析,建立防御-攻击-防御三阶段鲁棒优化模型来制定多能源系统遇到紧急情况前后的防护策略和运行策略,利用对偶理论将三阶段鲁棒优化模型转化为双层优化问题,并利用嵌套的Benders分解算法对模型进行求解;最后分析了储能(储电和储气)系统在综合能源系统遇到紧急情况时,对系统弹性及安全可靠运行的重要意义和作用。针对于多个区域综合能源系统的合作与能量交互问题,根据联盟合作博弈的理论,建立适用于多个能源集线器协调运行的联盟合作模型;采用MVEE方法和KY-1st算法处理风电出力的相关性和不确定性,建立鲁棒优化模型,利用分布式联盟构造算法实现对联盟合作博弈模型的迭代求解。从综合需求响应、能源集线器联盟合作以及不确定性和相关性的处理方法等方面,量化分析了影响综合能源系统运行及经济效益的因素。本文从综合能源系统的运行与能源市场两方面入手,重点讨论了在同步与异步的不同市场环境下,综合能源系统中的各利益主体如何进行市场决策,在出现紧急情况和不确定因素影响时如何进行运行优化调整,以及不同系统之间如何进行合作以期达到共赢的目的。决策者可根据综合能源系统的实际组成成分以及市场需求和市场类型,参照本文提出的模型及方法进行协调、优化和管理。