可再生能源的开发和利用是保证未来能源安全以及应对全球气候变化的重要途径。但是,以风、光电为代表的可再生能源具有间歇性、波动性以及随机性等特征,导致其消纳困难,弃电现象严重。将风光水打捆运行,形成多能互补系统,是降低新能源并网的冲击性、提升流域资源利用率的一种新思路。由于多能互补系统的维度更高,不确定性输入更多,调度目标间的竞争性更强,其安全高效运行变得更具挑战性。在这一背景下,如何促进互补系统内不同能源的协同性,实现不同能源的深度融合亟待深入研究。本论文以龙羊峡水光互补工程为对象,以水电和光电的协同性为主题,从“实时-短期-中长期-全生命周期”4个方面研究大规模水光互补系统的规划设计与运行调度问题,主要工作如下:(1)针对互补系统经济运行问题(“以电定机”),建立了考虑光伏出力预测不确定性的机组组合鲁棒优化模型。模型可在多种光电情景下,通过具有鲁棒性的机组开/停机状态始终满足负荷平衡,并使给定负荷条件下水电站期望耗流量最小。为实现模型的高效求解,提出了耦合智能算法和动态规划的双层嵌套优化框架:外层采用智能算法优化机组的开/停机状态,并结合二维编码策略处理机组的连续开/停机约束;内层在给定的机组状态下,采用动态规划优化机组间负荷分配策略。研究表明:提出的模型和方法能快速提供安全稳健的经济运行方案,在补偿光伏发电的同时提高水资源利用率。(2)针对互补系统日前发电计划编制问题(“以资定电”),建立了耦合经济运行模块的双层规划数学模型。上层模型优化系统输出功率,使得互补系统在满足双峰型等负荷特性条件下发电量最大;下层模型在给定系统输出功率下,优化机组状态以及负荷分配策略,使得水电站期望耗流量最小。在模型求解时,将原问题解耦成三个关联的子问题:确定系统输出功率、确定机组状态以及确定机组间负荷分配,分别采用启发式算法、智能算法以及动态规划方法在递阶结构下求解。研究表明:提出的模型和方法能快速提供同时满足电网需求和流域水资源综合利用要求的日前发电计划。(3)针对互补系统中长期调度问题,提出了耦合弃电损失函数的互补调度图编制方法。分析了互补调度中可能的弃电情形,采用短期随机模拟模型定量表征长期水电出力与光伏弃电率之间的关系,据此估计中长期光伏弃电损失函数;将其耦合到中长期调度模型中,构建了中长期互补调度图多目标优化模型;采用多目标布谷鸟算法识别了互补调度图最优型式及参数。研究表明:弃电损失函数呈S型;互补系统发电量最大和发电保证率最高之间呈非竞争关系;所制订的调度图能在水力发电、光电并网、下游供水三者间达到较好的平衡。(4)针对互补系统中光伏电站装机容量规划问题,提出了基于成本效益分析和嵌套调度模型的装机容量规划方法。考虑互补调度对水资源系统的影响和电网的需求,构建了光伏电站全生命周期运行净效益最大数学模型;提出了基于历史均值取样、滑动窗取样、以及Bootstrap取样的光伏电站全生命周期净效益计算方法;最终同步确定了最优光伏装机容量以及互补调度函数。研究表明:最优装机对光伏补贴电价最敏感;推导的调度函数能有效指导水光互补中长期运行;提出的光伏装机规划方法合理有效,实现了光伏装机规划与互补调度的协同。