作为能源互联网的物理载体,综合能源系统包含电能、天然气、热能等多种类型的能源,可通过多能互补的方式提高能源利用率和可再生能源的消纳能力,是解决日趋严峻的能源和环境问题的关键。“电—气耦合”是综合能源系统的重要形式,一方面,以电力、天然气为主要能源的区域级综合能源系统可采用冷热电联产的方式(Combined Cooling Heating and Power,CCHP),同时完成发电、制冷和供热,满足用户多能负荷的需求;另一方面,随着电转气技术(Power to gas,P2G)逐渐成熟,以电转气设备和燃气轮机耦合的电力、天然气系统实现了能量的双向流动,可完成能源的大规模、跨区域传输。在上述背景下,本文主要研究内容如下:(1)研究了电—气耦合系统稳态模型及潮流求解方法。首先,建立了含风电的电力系统稳态模型、天然气系统稳态模型;其次,研究了耦合单元P2G和燃气轮机的运行特性,建立了简化的线性数学模型;再次,建立了CCHP系统的分布式单元模型;最后,研究了电—气耦合系统的潮流求解方法,包括天然气系统潮流求解法和混合潮流求解法。(2)提出了一种基于能源集线器的区域级电—气耦合系统运行优化方法。首先,概述了能源集线器理论,并考虑实时能源价格和逐时负荷,建立基于能源集线器理论的能源中心模型;然后,以系统购能成本最小为目标、能源分配系数为优化变量,计及设备容量、网络潮流等约束建立最优潮流模型,并应用遗传算法进行求解;最后,采用8节点的配电网和9节点的天然气互联系统作为算例,基于本文所提方法进行建模并求解,验证了所提优化方法的经济性。(3)提出了一种含P2G的跨区级电—气耦合系统协同优化规划方法。首先,以年投资成本、年运行成本之和最小为目标,以不同型号机组、线路、管道投建状态和燃气轮机与P2G厂站的出力分配值为优化目标,建立了考虑P2G的电—气耦合系统协同优化规划模型;然后,研究了基于免疫算法的模型求解流程,对算法收敛性问题进行了分析;最后,基于所提方法对7节点天然气和9节点电力系统进行不同场景的建模计算,免疫算法解算结果表明,P2G位置的合理规划可降低天然气网络管道的建设成本,燃气机组和P2G厂站的出力调整可降低系统的运行成本。