近年来，太阳能发电技术不断进步且运行成本有所下降，与此同时国家出台了相关的扶持，在此社会背景下太阳能发电获得了较快发展。光伏发电设备的实际输出功率由照射在太阳能电池板表面的辐射强度以及所处的外部环境等因素共同决定。风能是一种分布广泛、清洁可持续的一次能源，风力发电的工作原理为：风轮在风力推动下旋转，进而风轮轴推动发电机旋转发电。

近年来风力发电受到了全球范围内的广泛关注，风电机组投资成本逐步降低。同时由于风电机组具备建设周期短、运行稳定性高、运行维护较为简单、占地面积小等优势，至今风力发电已经成为了世界上发展最快、运用最广泛、具有良好发展前景的发电方式。在一定的时空范围内，风速的变化具有不确定性。燃气轮机、内燃发电机和微燃机工作原理具有相似之处：均通过天然气燃烧产生高温高压燃气驱动叶轮旋转发电，三者区别选择内燃发电机作为研究对象。

内燃发电机的工作原理是：天然气与空气在气缸内充分燃烧产生高温高压的燃气，进而带动活塞动作，活塞进一步带动与之连接的曲柄连杆等装置产生机械能，最后发电机在机械能的推动下产生电能。从综合能源系统整体的能源转换上看，电能可以转换为天然气/热/冷能，属于高品质能源。以下简要介绍能量转换设备。选取电热锅炉作为电制热设备，该设备可将电能高效转化为热能，且转换过程中无需炉膛和烟囱，也不需要特殊场地存储燃料，可较好的避免常规燃煤锅炉带来的空气污染。

由此可知电热锅炉具有无污染、安全可靠、效率高等特点。当前在实际工程中较为常见的电制冷设备是离心式制冷机，该设备给压缩机输入电能，压缩机通过一个等墻过程将能量由蒸发器传递到冷凝器。通常离心式制冷机的COP可达4左右，同样具有安装使用方便、效率高、安全稳定等优点。所讨论的电转气设备作用为电制取天然气。首先电制氢利用系统无法消纳的新能源发电量，通过电解水装置产生氢气并进行存储；之后借助催化剂的作用使氢气与二氧化碳反应生成甲烷和水。

系统内添加电转气设备可以提供调峰、调频和备用服务，有效缓解电力/天然气阻塞等问题。考虑到分布式可再生能源发电具有不可避免地波动性，通常在综合能源系统中配备储能系统，用于抑制发电波动性、改善系统的电能质量。储能装置的应用场景主要为以下几种：1)支持多类型新能源的灵活接入。由于风能、太阳能等新能源发电具有较强的不确定性，系统内部仅靠火电机组进行慢速调节，难以完全适应新能源出力的快速变化。

通过调整储电装置的充/放电功率及充/放电行为，改善清洁能源输出功率随机变化的缺陷，从而保证系统安全平稳运行；2)削峰填谷。随着经济和社会的迅速发展，用户侧负荷需求量增大且电力负荷峰谷差日益增大，这给电力调度带来了前所未有的挑战。储能系统可在负荷低谷时存电，在负荷高峰时放电，实现负荷调节，在一定程度上减小峰谷差，提高能源利用率和电网整体资产利用率；3)电网稳定控制。

协助电网安全稳定运行，但目前受技术与规模限制，仍处于起步阶段。综合能源系统主要为用户侧负荷提供电能、热能和冷能，因此系统内除了储电装置，还包括储热和储冷设备，其运行特性与成本函数与储电设备类似，用如下公式分别表示储热装置和储冷装置的运行特性。首先结合的整体研究思路与具体需求，将能源输入模块、运营商模块及能源输出模块三部分集成为综合能源系统，简单描述了各设备的原理和工作特性。

然后构建了综合能源系统的外部能源网络、新能源CCHP系统、电制热/冷/气设备、蓄热/冷设备模型；调研了当前常见电储能类型及对应工作特性，并对其进行数学建模，为后续各章节的研究奠定理论基础。综合能源系统具有多类型能源站、多种形式能源的转换设备，用户侧包含电/气/热/冷多种负荷，为尽可能实现能源的梯度利用，提高系统运行经济性，需要针对该综合能源系统进行集成优化。

由于所属系统中设备及不确定因素较多，先从较简单的模型入手，构建较为全面的确定性多目标优化模型，在设定数据的基础上研究综合能源系统确定性多目标优化，对比分析各优化策略对应运行情况。风能和太阳能在工作时间上具有互补性，但两者又具备较强的波动性和随机性，利用储能设备可以平衡供电，以较好地适应负荷动态变化及风/光出力的随机特性。

多目标优化策略通过协调能源产出设备、负荷和储能系统的运行功率，可有效提高综合能源系统运行的可靠性、稳定性和经济性，故选取决策变量由热力学第一定律中的能量平衡方程分析可知，综合能源系统中电力、天然气综合能源系统的污染物排放来源主要来自向电网购电以及天然气发电及供热，其中，假定向电网购电均为燃煤发电。

对于综合能效最佳调度方案，考虑需通过提高能源供给量以提升能源子系统的综合能效进而提升综合能源系统整体综合能效，调度周期内电转气设备工作功率提升且工作时段增加，直接影响为内燃发电机运行功率明显升高、燃气锅炉运行功率轻微下降，内燃发电机与燃气锅炉互补式的运行规律可有效保障系统内部热/冷负荷需求；同时，为满足上述设备互补式运行条件及常规气负荷需求，系统在调度周期内由气网购入天然气量维持较高水平；在常规电/热/冷负荷不变的前提下，电转气设备高功率运行从侧面加深了电能需求，表现为图中由电网购电功率显著提升。

可以看出，内燃发电机及燃气锅炉运行规律与经济性最佳调度方案中的变化趋势非常相似，以保证具有较高的经济性；差异点在于该调度方案中电转气设备工作时段有所增加，该行为可有效提升综合能效并缓解C02排放问题。在上述各种调度方案中，储电设备的充放电行为主要受分时电价的影响，即在电价偏低的时段进行充电，在高电价时段进行放电，储热/冷设备运行规律基本与储电设备维持一致，以有效提升综合能源系统的经济效益。相应的，各调度方案对应的目标函数值。

研究了综合能源系统运行的确定性多目标优化问题。首先，根据第二章所述综合能源系统进行分析，确定决策变量；然后以功率平衡、交互功率、储电/热/冷设备功率等约束为基础，考虑运行经济性最优、综合能效最优及环保性最优三个目标，建立了确定性多目标优化模型；最后利用NSGA-II算法进行算例求解并归纳典型日场景下的优化调度方案，对所提多目标优化调度方案进行分析讨论。

对于经济性最优调度方案，内燃发电机主要在电价偏高时段工作，其中由于12时光伏发电设备出力达到峰值，此刻内燃发电机停止运行且系统与天然气网交互量表现为调度周期内的最低值；电转气设备在夜间电价偏低且系统内负荷需求量较低时段工作，白天仅在内燃发电机功率偏高或用电低谷时段存在低功率工作情况以实现更好的经济性；系统内风力发电在15-17时达到峰值，此时段电负荷处于低谷期，电量在满足负荷需求的前提下仍有剩余。

故系统在该时段向电网售电以提高经济性；由于系统内存在电/热/冷等多类型负荷，系统大部分时刻需从电网购电，在低电价时段购电功率维持较高水平；系统内热/冷负荷需求无法通过内燃发电机自身工作来满足，可以发现燃气锅炉的工作时间与内燃发电机形成了互补的关系，保证在调度周期内满足热/冷负荷的需求；内燃发电机与燃气锅炉在工作时段形成互补关系无疑提升了系统天然气的需求量，系统在调度周期内始终购气以满足多方面需求。

整体上，两种优化方案在综合能效指标方面差距较小，在经济性、环保性目标方面，区间多目标优化方法要略优于前者。区间优化中内燃发电机功率高于前者，燃气锅炉功率略低于前者，由于两设备功率量级差距明显造成区间优化中电能更多依靠内燃发电机生产，因此环保性目标有明显改善。这说明区间优化模型求解的最佳调度方案由于事先考虑了不确定性因素的影响，在追求经济性时更加谨慎，较多的兼顾综合能效指标以及环保目标。

相较于确定性优化调度模型，采用区间优化调度模型求解的调度方案在保证经济性及环保性方面具有更强的鲁棒性。主要研究了考虑不确定因素的综合能源系统多目标优化方法。首先介绍分析区间优化相关理论，并采用区间数描述综合能源系统运行过程中不确定因素（光伏发电功率、风力发电功率、电/气/热/冷负荷）的随机波动；然后利用与电网交换功率作为综合能源系统功率波动的平抑手段，建立了区间多目标优化调度模型，并采用融合区间数理论的NSGA-II算法求解Pareto最优解集，通过引入区间可信度，判断个体是否满足约束条件。

最后通过算例分析了区间多目标优化调度模型在典型日场景下的调度结果，并讨论了考虑不确定因素对调度结果的影响。所研究的博弈主体结构，其中包括新能源CCHP运营商、具有电能和热/冷能需求的用户。本模型中，新能源CCHP以天然气为原料生产出电能和热/冷能，假设用户侧的电能需求及热/冷量需求都从新能源CCHP运营商购入。新能源CCHP运营商以收益最大化为目标，用户则以消费者剩余最大化为目标。重点研究电能、热/冷能生产及消耗两方的主从博弈模型。

建立了综合能源系统中新能源CCHP运营商和用户之间的关于电能和热/冷能的主从博弈模型，详细证明了新能源CCHP运营商和用户负荷之间的关于电能、热/冷能的博弈均衡解的唯一性，并提出了博弈均衡解的求解方法。所提模型主要针对CCHP运营商与具有电/热/冷能需求的用户之间交易策略的制定过程中的交互，充分考虑作为领导者的CCHP运营商收益及作为跟随者的用户的消费者剩余。

对上述主从博弈模型进行算例仿真，利用所提改进粒子群算法对均衡解进行迭代求解以验证其收敛性。在算例分析中首先分析了典型场景的博弈均衡策略，其次描述了运营商的生产成本参数、用户的消费偏好系数对博弈双方策略所造成的影响。在未来多类型能源交易市场中，算例所提的均衡策略将对能源站运营商与具有电能和热/冷能需求的用户之间交易方案的制定提供建议，同时也可以为能源站的规划和运行优化以及对能源价格的预测提供参考。

综合能源系统可整合多种资源以实现多类型能源系统间的协调规划和交互响应，减低了电网对光伏、风电等新能源电源的管理和调度难度，且可以满足用户对冷热电联供过程稳定性及可靠性等需求。首先对所研究综合能源系统进行描述，然后介绍了能源输入模块、能源转换模块及能源消费模块内各设备的工作原理及出力特性并建立了对应的数学模型。