能源是人类生存的基石和社会繁荣的命脉。近年来,节能减排任务日益艰巨,灵活性需求逐渐增长,驱动我国加快能源结构优化,着力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。随着可再生能源供给侧占比的稳步提升,异质多能流向协同融合方式的逐步演化,针对“源-网-荷-储”高度集成的综合能源系统(Integrated Energy System,IES)多时空尺度建模和调度运营机理的研究,符合能源转型的要求和能源革命的方向,具有广阔的工程应用价值和巨大的多能互补效益。同时,多能耦合的服务新业态和运行新方式,也从多能灵活供需互动新模式、源网荷储随机优化新问题和低碳互补风电消纳新方法三个角度,为IES发展提出了挑战,考虑源网荷储资源的IES优化运行研究,成为了 IES亟需解决的关键技术难题。在此背景下,本文研究内容共分5个章节进行阐述,归纳如下。(1)研究了综合能源园区与电网互动的建模与方案验证。面向城区用户中占比与能耗双高的商业和工业园区,在其内部灵活性资源精细化建模的基础上,研究借助运营商管理策略和园区结构特点实现“削峰填谷”和“多能优化”综合需求响应(Integrated Demand Response,IDR)效果的能量互动优化模式;对于聚合商统一管控的园区群,计及动态能源定价机制,建立基于聚合博弈的多园区供需互动均衡模型。采用混合整数线性规划、卡罗需-库恩-塔克条件和分布式迭代等方法求解上述模型。算例分析表明:通过IDR互动机制,所提方法能够兼顾提升园区整体/个体的经济性和能源的梯级利用水平。(2)研究了社区级综合能源系统配置-运行联合随机风险决策方法。考虑源荷随机性和自然灾害等威胁因素,提出关键元件的脆弱性指标以量化正常和极端情形下供能缺失的风险,计及不确定性IDR资源的互动调节能力,基于最坏情况风险测度理论和模糊随机机会约束方法,建立了规避风险的社区级IES配置-运行两阶段优化模型。通过多场景法、蒙特卡洛模拟、清晰等价类转换和大M法等技术实现模型的有效求解。算例分析表明:IDR互动能够延缓设备投资并转变供能方式,从而节省用能成本;所提方法显著改善了飓风情景下系统的极端风险值和供能可靠性,提升了系统的韧性。(3)研究了源网荷协同的区域级电-气-热系统两阶段鲁棒优化调度模型。基于二阶锥松弛、McCormick包络近似和大M法,建立包含配电网、配气网和含热损热力管网的区域级IES线性化模型;在此基础上,应用两阶段鲁棒优化(Two-stage Robust Optimization,TRO)理论,构建区域级电-气热系统的日前-实时TRO调度框架,旨在通过广义的源网荷互动,消除由于预测误差引起的源、荷偏差。通过列约束生成算法将TRO模型分解为运行主问题和安全检测子问题交替求解。算例分析表明:所提方法能够有效提升IES运行的鲁棒性并抵御实时市场高昂价格波动的风险。(4)研究了低碳电-气联合系统快速动态鲁棒优化运行方法。燃气机组和电转气装置的技术突破和应用普及,加速了输网级电-气联合系统(Integrated Electricity-Gas System,IEGS)的发展,同时提供了“风-气互补”的风电消纳新思路。立足于我国现行碳交易市场机制和排放额度分配方法,推导列写碳交易成本;考虑天然气动态管存和风、荷不确定性,构建计及碳交易的IEGS快速动态TRO模型。求解时,在分解得到的主问题中嵌套连续二阶锥松弛技术逐步缩小气潮流仿真误差;在子问题中保证系统偏差量和碳交易总量不越限,应用松-紧时序解耦方法进行分解协调和并行计算。算例分析表明:所提方法具有较好的低碳经济效益和鲁棒性、收敛性,也具备计算速度上的优势。(5)研究了分布式的电-气联合系统两阶段鲁棒优化调度方法。针对电系统和气系统间的行业壁垒和信息隐私问题,提出考虑动态管存参与风电消纳的日前-实时IEGS分布式TRO模型。模型从一组考虑日前预测和实时极端场景的固定0-1变量的初始可行解出发,结合交替方向乘子法和列约束生成算法,通过内层分散求解、中层经济性检验和外层鲁棒性检验的闭环迭代策略,解耦整数变量和连续变量,实现电/气系统的完全分散自治和IEGS的鲁棒经济运行。算例分析表明:所提方法在计算效果、收敛性、鲁棒性和提升风电消纳等方面具备有效性。本文从园区-配网-输网和规划-日前-实时的多时空尺度,为IES的相关研究提供方法支撑。研究成果体现了 IES的多能互补协调优化效益,可应用于含多种IDR模式协同响应的多能园区(群)的配置-运行最优决策,以及利用碳交易手段和分布式优化机制助推风电消纳的工程实践指导。