电能和热能需求是终端能源消耗的最主要部分。大力发展基于热电联产(Combined heat and power,CHP)的电-热综合能源系统是解决能源枯竭、环境污染等问题的有效手段,也是支撑现代智能电网和能源互联网发展的重要支点。在电-热综合能源系统的运行和规划中,需要充分挖掘并利用电能和热能的交互和互补协调以提高系统的灵活性和可靠性。充足的灵活性是实现可再生能源大规模消纳和能源效率提升的根本;高可靠性则保障了综合能源系统在正常运行状态以及事故状态下均能满足用户电能和热能的需求。本文按照电-热能源互补、供-需双向互动的主线,在运行与规划层面开展电-热综合能源系统灵活性与可靠性分析与优化的理论研究,主要内容总结如下:(1)提出了电-热综合能源系统中典型负荷的综合需求响应(Integrated demand response,IDR)模型。相较于以往的研究,本文对系统中的负荷进行了更精细化的分析,基于负荷的能源来源和内部能源转换情况将负荷分为两类。针对第一类负荷,分析了其以能源替代为核心的综合需求响应模式,并基于线性化方法将综合需求响应模型替代为对电能和热能的报价曲线。针对第二类负荷,充分利用建筑的热惯性储能机理、能源替代、分布式CHP机组运行优化等策略,提出了基于能源中心的综合需求响应模型,实现负荷需求跨时间、跨能源类型的转移与优化。(2)提出了考虑负荷综合需求响应的电-热综合能源系统优化运行模型。分析了负荷聚合商参与主网系统双向互动的博弈行为,创新性地建立了实时需求响应市场,以市场化定价机制引导负荷参与综合需求响应。引入配网调度机构作为中间层,建立了负荷聚合商-配网调度机构-主网调度机构在内的三层优化调度结构,实现负荷侧灵活性向系统侧的传导。在求解过程中提出了基于“需求响应可行域”的解耦技术,从而实现三层优化调度模型的快速求解。(3)将传统的多状态系统模型(Multi-state system model,MSS)推广到电-热综合能源系统。创造性地建立了耦合性能的两性能多状态系统模型(Two-interdependentperformance MSS,TIP-MSS),给出了TIP-MSS的基本概念和数学表达方法。基于状态空间图法,建立了CHP机组以及电热泵等耦合元件的状态分布以及可靠性模型。基于通用生成函数法(Universal generating function,UGF)实现多个串并联元件可靠性模型的聚合,从而构建了整个电-热综合能源系统的可靠性模型。基于以最优切负荷为策略的优化调度(Combined heat and power dispatch,CHPD)模型,实现对电-热综合能源系统可靠性指标的定量评估。(4)提出了基于市场化的电-热综合能源系统的协同电源规划模型,实现电力系统与区域供热系统的分布式协同电源规划。结合K-means聚类技术以及模糊集理论,提出负荷的模糊负荷持续时间曲线模型。将考虑可靠性约束以及灵活性要求的CHPD模型进行对偶,求解模糊值表示的节点电价(Fuzzy locational marginal price,FLMP),并利用FLMP引导CHP机组和常规发电机组的投资。提出基于价格循环和Benders循环的分布式协同电源规划的快速求解方法。提出的电-热综合能源系统电源规划方法可以实现CHP机组与传统发电机组的良性竞争,进而提高电-热综合能源系统的总体效率、避免过度投资。