面对日益严峻的气候变化形势,《巴黎协定》于2015年12月签署,开启了全球范围内清洁低碳、可持续发展的新局面。在此背景下,2016年,国家发展改革委和能源局指出多能互补、供需协调对于建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重要意义,实施多能互补集成优化工程被列为“十三五”能源发展的主要任务。随着2020年“双碳”目标的提出,研究并发展多能互补的能源系统,促进可再生能源消纳,提高能源系统综合效率,进而推进能源系统转型,被提升至国家战略的高度。契合国家发展和时代要求,本论文聚焦多能互补系统的关键理论,研究系统供需特性,并基于供需协同、多能互补原理提出分布式和集中式能源系统的优化方法。研究成果对我国能源系统转型升级具有重要意义,是实现“2030碳达峰和2060碳中和”战略目标的支撑性技术。论文的主要研究内容如下:（1）研究了用能需求模拟方法及需求响应策略。论文建立了建筑负荷和电动汽车负荷的多主体模拟框架:在建筑模型中基于多主体异质性定义了用户主体和多类负载主体的状态与行为规则,结合环境属性和主体交互实现多能负荷模拟;在电动汽车模型中结合出行链方法对用户出行模式和充放电模式进行定义,出行链中包含七类出行目的和三类地点的转变,结合无序和错峰充电两类策略模拟充电负荷的时空分布。之后,论文基于需求模拟研究了两类需求响应的潜力:在价格型需求响应下计算了阶梯电价、峰谷电价和峰值电价对应的建筑整体和各类电器的节能潜力,体现了用户节能行为的重要性;在计划型需求响应下定义了电动汽车充放电灵活性,并且针对离散资源调度问题,提出了非连续时间序列下的全局优化和分散控制方法,实现了充放电优化调度。（2）研究了分布式和集中式供能系统的建模和优化。针对分布式系统,论文将相关设备的负荷率-效率关联性、温度-效率关联性、电-热关联性（操作可行域）和设备启停、调负荷的影响纳入到系统建模中,采用线性化方法构建了基于变工况特性的冷热电联供系统双层优化模型,之后结合建筑物和电动汽车的需求分析了各种变工况特性对系统规划和逐时运行的影响。针对集中式系统,本文以快速机组组合方法为基础构建了可以用于中长期规划的风光水火储系统扩容和运行优化模型,之后在电力系统模拟中耦合了电解制氢系统优化,考虑了大规模风电投资下的三类制氢技术和两类制氢模式对氢气成本和规模的影响,最后基于蒙西地区的案例数据探讨了我国绿色氢能生产的经济优势和减排效果。（3）研究了分布式系统需求可调度时的供需协同优化。基于已建立的需求模拟和供能系统优化方法,论文首先分析了电动汽车数量和充放电模式对现有分布式系统的影响,通过多主体框架下的系统运行优化量化了无序充电、错峰充电和灵活充放电对系统能源需求、设备运行调度和供能成本的影响。之后,论文在基于变工况特性的供能系统双层优化框架中整合了建筑可转移负载、可削减负荷和建筑物热惰性,以及电动汽车充放电三类可调度需求资源,构建了供需协同的系统运行优化及容量规划模型,对比了各类需求资源参与调度的作用,分析了需求响应和设备变工况运行之间的相互影响,证明了供需协同优化的应用价值。（4）研究了集中式系统跨区域互联时的供需协同优化。首先,论文基于社会经济信息和未来能源供需关系分析了互联区域内建筑、交通、农业、工业等部门的能源需求特性,进而结合各区域可再生资源的时空分布特性,基于已建立的以快速机组组合为基础的系统优化模型实现了风电、光电、水电、火电、电制氢、各类储能以及高压输电的优化技术组合,探索了供需互补下的经济型碳中和道路。之后,论文研究了我国海上风电资源通过绿色氢能供应链实现跨区域供需互补的潜力,基于海上风电制氢建立了跨海输配绿色氢能的供应链优化模型,结合30年风力资源数据分析了沿海各省份的氢气成本和出口量,证明了我国在世界二氧化碳减排行动中的重要地位和巨大作用。