在“双碳”目标的时代背景下,减少碳排放以应对全球气候变暖问题已成为全球共识,而能源结构的转变是短期、中期低碳进程的决定因素。随着以风电、光伏发电为代表的低碳电力上网量逐年攀升以及城镇供热需求的不断增长,能源系统亟待解决的一项科学与技术问题是如何在大规模新能源并网环境下协调热电耦合关系,以更加安全、经济、灵活的方式实现电能、热能“源-网-荷-储”全流程运行优化。热-电综合能源系统为实现热电协调运行、提高新能源消纳能力提供了可行路径,在热-电综合能源系统框架内热能、电能在各个层次上相互耦合,扩大了原有孤立能源系统控制边界,可有效提高能量的转化效率与灵活性。然而,关于热-电综合能源系统的理论研究与工程实践仍处于初步阶段。一方面,热能与电能的生产、传输、存储、消费过程相互耦合后机理十分复杂,整体系统体现出的不同时间尺度特性为建模、控制工作带来严峻挑战;另一方面,可再生能源所固有的随机性,显著增加了热-电综合能源系统调节难度,也对系统灵活性提出更高要求;再者,热-电综合能源系统包含多种的能源转化单元,其运行机理各异,且受运行要求限制其运行优化多需在线完成,这也对现有实时优化方法提出挑战。为此,本文面向热-电综合能源系统在“建模-控制-优化-调度”四个层次开展研究工作,首先从热-电综合能源系统建模出发研究面向热电耦合双时标问题的系统辨识方法,进而研究面向热-电综合能源系统快速变负荷问题的双时标预测控制方法,而后研究热-电综合能源系统生产、转化单元能效实时优化方法,最后研究热-电综合能源系统灵活调峰调度方法。本文主要工作和创新点包括:（1）针对热-电综合能源系统双时标建模问题,提出一种双时标系统辨识方法。方法基于系统辨识原理,针对双时标耦合所产生的宽频域信息相互干扰问题,采用高、低通滤波器设计与信息剔除方法,分离不同时标尺度信息以增强不同频段信噪比,进而提高系统整体建模精度。方法的一致性得到证明,Monte-Carlo仿真验证了方法的有效性。所提出方法解决了传统输出误差、预报误差辨识方法面对双时标系统低频段估计有偏以及收敛性问题,处理多变量问题具有鲁棒性,可为双时标控制优化提供模型支撑。（2）针对热-电综合能源系统双时标控制问题,提出一种面向快速负荷响应的双时标预测控制方法。方法根据快、慢动态特性分别设置预测控制器,通过控制器间信息交互,在满足用户舒适度前提下,利用供热系统蓄能空间,动态调整采暖蒸汽量获得快速、低延迟的电功率响应,协调控制系统（CCS）性能得到明显改善。所提方法对发电、供热过程进行协同优化决策,实现了厂级-（供热）区域级能源的灵活调配。（3）针对热-电综合能源系统能源生产、转化单元在线能效优化问题,提出一种基于系统辨识的实时在线优化方法。方法应用动态数据,结合多变量闭环辨识算法获得优化梯度,通过渐近理论估计梯度不确定性,并采用在线试验设计方法动态修正信噪比以补偿不确定性影响,最终结合可行方向优化算法实现在线迭代寻优。所提方法解决了梯度及其不确定性估计问题,形成了“动态试验设计-优化梯度估计-梯度误差估计-在线迭代寻优”的完整优化流程,提高了实时优化的可操作性,显著降低了优化过程的成本。（4）针对热-电综合能源系统不确定场景下的调峰问题,提出一种日前-日内热电协同调度方法。方法综合考虑多种发电机组调峰特性以及风、光功率不确定性影响,建立了含调峰成本、热电动态耦合约束的热-电综合能源调峰调度模型。方法采用两阶段分布鲁棒优化方法处理风、光出力不确定性下的日前调度问题,并采用滚动优化方法求解日内调度问题。所提方法兼顾运行经济性与鲁棒性,显著提高了系统调峰潜力、降低了系统调峰成本。