云数据中心作为数字经济时代的核心基础设施,承载着爆炸式增长的云用户服务请求,相应的用电需求也快速增长,成为电网的重要负荷。在云计算技术和能量管理技术的支撑下,云数据中心不仅具有跨时域调节用能的能力,还可依托互联网快速实现云服务请求及其电力需求的跨地域调度,体现出区别于其他电网传统负荷的时空调节灵活性。在电力市场环境下,电网可利用市场手段挖掘利用云数据中心的灵活性,充分实现其对电网的服务和价值,同时云数据中心可获得相应的经济刺激,有助于优化升级运营管理,因此基于电力市场研究云数据中心与电网的协调互动具有重要意义。云数据中心的用能时空调节灵活性使其具备在电力市场环境下跨时空与跨市场套利的特殊潜力,结合不同市场场景可与电网形成多层次的复杂耦合关系,给决策者带来巨大挑战。然而现有研究缺乏对云数据中心-电网协调互动场景的探讨与建模,尚未深入分析两者协调互动带来的多层次耦合关系,在具体决策问题中未充分计及这些耦合关系对云数据中心及电网产生的影响,制约了这一前瞻性研究课题的探索。本文以云数据中心的能量管理策略和用能灵活调节能力为研究的切入点,以分析构建主动双赢的云数据中心-电网协调互动体系为根本目标,分析了云数据中心-电网的协调互动与多层次耦合关系,研究了考虑云数据中心与电网多层次耦合关系的协同规划问题,以及云数据中心能量管理与交易决策问题。主要工作包括:（1）基于云数据中心的基本组成部分及能量管理策略提出了云数据中心能量管理模型,包括云数据中心净功率与能量管理灵活性的数学表达式和约束条件。分析了云数据中心与电网协调互动的基础与场景,分别基于独立主体式和协同优化式两种互动模式提出了云数据中心-电网协调互动通用数学模型。结合上述能量管理及协调互动模型,分析了云数据中心-电网的多层次耦合关系。（2）针对规划阶段下云数据中心与电网的协调互动问题,提出了云数据中心与电网储能系统的多目标协同规划模型。模型考虑了规划与运行时间尺度下云数据中心与电网的耦合关系及运行特性,并联合优化了以云数据中心平均服务延时、耦合系统总成本以及电网负荷均峰比为关键指标的三个目标。模型采用了多目标自然集群启发式算法进行求解。算例证明了该模型可有效提升耦合系统的云服务质量、经济性及可靠性,验证了协同规划云数据中心与电网储能资源的经济效益。（3）针对多地多级配网电力市场环境下的云数据中心运行决策问题,提出了包括日前购售电投标以及实时能量平衡调节的两阶段云数据中心能量管理与交易决策模型。模型考虑了多地多级配网电力市场机制与云数据中心灵活调节能力的耦合关系。日前投标阶段采用了自然集群启发式算法进行求解,实时能量平衡阶段采用了线性化方法将问题简化为混合整数线性规划模型进行求解。仿真实验结果证明了在多地多级配网电力市场场景下,云数据中心和配网电力市场可实现经济效益的双赢。（4）针对云数据中心同时参与云市场与电力市场的行为决策问题,提出了考虑云市场与电力市场耦合关系及多元市场主体博弈关系的三层决策优化模型,其中下层模型构建了云数据中心与按需云用户之间的主从博弈过程,上层模型构建了云联盟内的多个云数据中心进行云资源买卖竞标与出清过程,中层模型构建了云数据中心在本地电力批发市场与端到端电能交易市场中的决策过程。采用了Karush–Kuhn–Tucker重构法及多种线性化方法将原始三层非线性化问题简化成单层线性化问题进行求解。算例结果表明了所提模型可实现云数据中心在云市场与电力市场中的均衡最优决策,充分发挥其灵活能量管理及智能决策的优势。本文得到国家留学基金委员会,国家自然科学基金项目（51577073）,中国工程院重大咨询项目（2018-ZD-02-05）和广东省重点领域研发计划项目（2019B111109002）的资助。相关研究成果获得中国电力科技一等奖,南方电网科技进步一等奖,部分研究成果已经在南方电网实际工程中得到应用,取得了良好的技术和经济效益,验证了本文工作的有效性。