近年来，太阳能发电技术不断提高，运行成本降低。同时，国家出台了相关支持。在这种社会背景下，太阳能发电获得了快速发展。光伏发电设备的实际输出功率由太阳能电池板表面的辐射强度和外界环境决定。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是:风轮在风力的作用下旋转，然后风轮轴推动发电机旋转发电。
近年来，风力发电引起了全世界的关注，风力发电机的投资成本也逐渐降低。同时，风力发电机组具有建设周期短、运行稳定性高、操作维护简单、占地面积小等优点。到目前为止，风力发电已经成为世界上发展最快、应用最广、最有前途的发电方式。在一定的时间空范围内，风速的变化是不确定的。燃气轮机、内燃发电机和微型燃气轮机的工作原理相似:都是通过天然气燃烧产生高温高压气体来驱动叶轮旋转发电，选择内燃发电机作为研究对象。
内燃发电机的工作原理是:天然气和空气体在气缸内充分燃烧，产生高温高压的气体，然后带动活塞运动，活塞进一步带动曲柄连杆等与之相连的装置产生机械能。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量转换来看，电能可以转换成天然气/热能/冷能，属于优质能源。下面简单介绍一下能量转换设备。电加热设备选用电加热锅炉，可以高效地将电能转化为热能。在转换过程中，不需要炉膛和烟囱，也不需要专门的场地存放燃料，可以更好地避免常规燃煤锅炉造成的空气体污染。
可见，电锅炉具有无污染、安全可靠、效率高的特点。目前实际工程中常见的电制冷设备是离心式制冷机，离心式制冷机向压缩机输入电能，压缩机通过等壁过程将能量从蒸发器传递到冷凝器。通常离心式冰箱的COP可以达到4左右，还具有安装使用方便、效率高、安全稳定等优点。所讨论的电-气设备用于通过电力生产天然气。首先，电制氢利用系统产生的新能源，通过水电解装置产生并储存氢气。然后，氢气在催化剂的作用下与二氧化碳反应生成甲烷和水。
在系统中增加电改气设备，可以提供调峰、调频和备用服务，有效缓解电/天然气拥堵问题。考虑到分布式可再生能源发电不可避免的波动性，通常在综合能源系统中配备储能系统，以抑制发电量波动，提高系统电能质量。储能装置的应用场景如下:1)支持多种新能源的灵活接入。由于风能、太阳能等新能源发电具有很强的不确定性，系统中火电机组调节缓慢，难以完全适应新能源出力的快速变化。
通过调节储能装置的充放电功率和充放电行为，改善了清洁能源输出功率随机变化的缺陷，保证了系统的安全稳定运行；2)削峰填谷。随着经济社会的快速发展，用户侧负荷需求不断增加，电力负荷峰谷差日益增大，给电力调度带来了前所未有的挑战。储能系统可以低负荷储电，高负荷放电，实现负荷调节，在一定程度上降低峰谷差，提高能源利用率和电网整体资产利用率。3)电网稳定控制。
辅助电网安全稳定运行，但由于技术和规模的限制，目前仍处于起步阶段。综合能源系统主要为用户侧负荷提供电能、热能和冷能，因此该系统除了蓄电装置外，还包括蓄热和蓄冷装置，其运行特性和费用函数与蓄电装置相似。蓄热装置和蓄冷装置的运行特性由以下公式表示。首先，结合总体研究思路和具体要求，将能量输入模块、操作者模块和能量输出模块集成为一个集成的能量系统，并简述了各装置的原理和工作特点。
然后，构建了综合能源系统的外部能源网络、新能源CCHP系统、电加热/制冷/燃气设备和蓄热/制冷设备的模型。考察了当前常见的电能存储类型及其相应的工作特性，建立了它们的数学模型，为后面的章节奠定了理论基础。综合能源系统有各种类型的能源站和各种形式的能量转换设备，用户端包含电/气/热/冷各种负荷。为了尽可能实现能量的梯度利用，提高系统运行的经济性，有必要对集成能量系统进行集成和优化。
由于系统中存在许多设备和不确定因素，从简单模型出发，建立了更全面的确定性多目标优化模型。基于设定的数据，研究了综合能源系统的确定性多目标优化，并对各优化策略的相应操作进行了比较分析。风能和太阳能在工作时间上是互补的，但具有很强的波动性和随机性。储能设备可用于平衡供电，以更好地适应负载的动态变化和风/光输出的随机特性。
多目标优化策略通过协调能量输出设备、负载和储能系统的运行功率，可以有效提高综合能源系统的可靠性、稳定性和经济性。因此，从热力学第一定律的能量平衡方程分析可以看出，综合能源系统中电力和天然气综合能源系统的污染物排放源主要来自于电网购电、天然气发电和供热，其中假设电网购电均为燃煤发电。
对于综合能效最优调度方案，认为应通过增加能源供应量来提高能源子系统的综合能效，进而提高综合能源系统的整体综合能效。在调度周期内，电改气设备工作功率增大，工作时间增加，直接影响到内燃发电机运行功率的明显增大和燃气锅炉运行功率的小幅下降。内燃发电机和燃气锅炉的互补运行规律可以有效保证系统内部的热/冷负荷需求。同时，为满足上述设备的互补运行条件和常规用气负荷的需求，调度周期内系统从燃气管网购买的天然气量维持在较高水平；在常规电/暖/冷负荷不变的前提下，电改气设备的大功率运行从侧面加深了电能需求，可见图中电网购买的电量明显增加。
可以看出，内燃发电机和燃气锅炉的运行规律与经济优化调度方案中的变化趋势非常相似，以保证高经济性；不同之处在于，该调度方案增加了电改气设备的工作时间，可以有效提高综合能效，缓解CO2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，即低电价时期充电，高电价时期放电。蓄热/制冷设备的运行规律与蓄能设备的运行规律基本一致，从而有效提高综合能源系统的经济效益。相应地，每个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，根据第二章描述的综合能量系统，确定决策变量。然后，基于功率平衡、交互功率和存储/加热/冷却设备功率的约束，建立确定性多目标优化模型，考虑运行经济性最优、综合能效最优和环境保护最优三个目标。最后，利用NSGA-ⅱ算法对一个实例进行求解，总结出典型日常场景下的最优调度方案，并对提出的多目标最优调度方案进行了分析和讨论。
对于经济最优调度方案，内燃发电机主要工作在高电价时期，其中光伏发电设备出力在12点达到峰值，此时内燃发电机停止运行，系统与天然气管网的相互作用在调度周期内呈现最低值；电改气设备在电价较低、系统中负荷需求较低的夜间工作，仅在白天内燃机发电机功率较高或用电量较低时工作，以达到较好的经济性；系统中风力发电在15-17小时达到峰值，此时用电负荷处于低谷，在满足负荷需求的前提下仍有剩余电量。
因此，系统在此期间向电网售电，提高经济性；由于系统中存在电/热/冷等多种类型的负荷，系统大部分时间需要向电网购电，低电价时期购买的电量保持在较高水平；内燃发电机自身的工作无法满足系统内部的热/冷负荷需求。可以发现燃气锅炉和内燃发电机的工作时间形成互补关系，保证了在调度周期内能够满足热/冷负荷的需求。工作时间内燃发电机和燃气锅炉的互补关系无疑增加了系统对天然气的需求，系统总是在调度周期内购气，满足各种需求。
总体来看，两种优化方案在综合能效指标上差别不大，区间多目标优化方法在经济和环境目标上略优于前者。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。由于两种设备之间的功率大小差异明显导致区间优化中的电能更多地依赖于内燃机，环保目标明显提高。这说明区间优化模型求解的最优调度方案，由于事先考虑了不确定因素的影响，在追求经济性的同时，兼顾了综合能效指标和环保目标，更加谨慎。
与确定性优化调度模型相比，区间优化调度模型求解的调度方案在保证经济性和环保性方面更具鲁棒性。本文主要研究考虑不确定因素的综合能源系统多目标优化方法。首先介绍和分析了区间优化理论，用区间数来描述综合能源系统运行中不确定因素的随机波动。然后，以与电网的功率交换作为平抑综合能源系统功率波动的手段，建立区间多目标优化调度模型，采用融合区间数理论的NSGA-ⅱ算法求解帕累托最优解集。通过引入区间可信度来判断个体是否满足约束条件。
最后举例分析了典型日常场景下区间多目标优化调度模型的调度结果，并讨论了不确定因素对调度结果的影响。研究的博弈主体结构包括CCHP运营商、有电能和冷热能需求的用户。在该模式中，新能源CCHP以天然气为原料生产电能和冷热能。假设用户的电能需求和热/冷能需求购自CCHP运营商。CCHP运营商的目标是收益最大化，而用户的目标是消费者剩余最大化。本文重点研究电能、冷热能生产和消耗的主从博弈模型。
建立了综合能源系统中新能源CCHP运营商和用户之间电能和冷热能的主从博弈模型。详细证明了新能源CCHP运营商和用户之间电能和冷热能博弈均衡解的唯一性，并提出了博弈均衡解的求解方法。提出的模型主要是针对CCHP运营商和有电/热/冷能需求的用户在制定交易策略过程中的相互作用，充分考虑了CCHP运营商作为领导者的收益和用户作为跟随者的消费者剩余。
对主从博弈模型进行仿真，用改进的粒子群优化算法迭代求解均衡解，验证其收敛性。在实例分析中，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和用户的消费偏好系数对博弈双方策略的影响。在未来的多类型能源交易市场中，实例提出的均衡策略将为能源站运营商与有电能和热/冷能需求的用户之间交易方案的制定提供建议，也为能源站的规划和运行优化以及能源价格的预测提供参考。
综合能源系统可以整合各种资源，实现各种能源系统之间的协调规划和互动响应，降低电网中光伏、风电等新能源的管理和调度难度，满足用户对冷热电联供过程稳定性和可靠性的需求。首先对所研究的综合能量系统进行描述，然后介绍能量输入模块、能量转换模块和能量消耗模块中各器件的工作原理和输出特性，并建立相应的数学模型。
