区域社会经济发展需要持续不断的能源供应作为支撑和保障。在能源供需失衡、产业结构畸形、环境污染日趋严重、新能源产能过剩等众多因素的影响下,如何缓解经济发展与环境保护之间的矛盾,优化区域能源供应和消费结构,最终实现可持续发展是区域决策者面临的一道难题。能源系统规划是能源管理工作的重中之重,事关能源产业的发展和生产布局,也是社会经济能否实现低碳、可持续发展的关键所在。因此,如何科学地进行能源系统规划以获得行之有效的规划管理方案给决策者的管理工作带来了严峻挑战。此外,我国政府已经承诺,2020年单位GDP的碳排放强度要比2005年下降40%至45%。为了实现这一目标并加速推动我国的低碳经济发展,国家发展和改革委员会启动了国家低碳省区和低碳城市试点工作。而准确地预测区域碳排放峰值及其达峰时间有助于把握区域温室气体排放现状和趋势,是探索低碳发展之路的重要基础,也是优化能源结构的主要推动力。然而,由于区域能源系统是一个涉及面极广的复杂巨系统,其碳排放量预测受人口总量、经济发展速度、技术进步、产业结构变化等多种驱动因子的影响,而其规划和管理受能源的进出口、生产、转换、运输、储存、消费等复杂过程以及能源资源可利用量、能源价格、加工转换效率、政府政策引导、产业结构和能源结构等多种因素的影响,加上众多局部子系统之间以及能源系统与外部系统之间的交互作用,充斥着多重复杂性和不确定性。但是,受限于我国不成熟的统计制度和不健全的统计体系,能源、环境和经济数据常常存在不同程度的缺失,加上我国能源系统的实际情况,导致传统的预测模型、规划模型和单一的优化方法在解决实际问题上存在一定的缺陷和不足之处。因此,迫切需要对现有预测模型进行扩展,对多种优化方法进行耦合,从而实现区域能源系统的科学管理。本研究基于区域能源供需新形势和多尺度能源系统的复杂性及不确定性辨识,通过对现有预测模型进行扩展以及多种优化方法进行耦合,分别构建了区域碳排放峰值预测模型和多尺度能源系统优化模型,为区域低碳发展和能源结构优化调整提供了理论参考和技术支持。具体内容包括:(1)基于区间多阶段随机机会约束规划方法构建生物质-生活垃圾联合供电模型以帮助决策者识别不确定条件下的最优供电策略,为生物质-生活垃圾发电厂的管理提供有效的决策支持;(2)基于区间固定组合模糊-随机规划方法构建风电供热系统供热管理规划模型以帮助决策者识别不确定条件下的最优供热策略,并进一步探究风电供热项目在提高风电消纳和降低“弃风率”方面的可行性;(3)基于STIRPAT的扩展模型构建青岛市碳排放峰值预测模型以获得多种碳排放情景下青岛市的碳排放峰值及相应的达峰时间,为青岛市建立碳排放峰值管理框架提供理论基础;(4)基于碳排放峰值预测结果和区间多阶段随机混合整数规划方法构建青岛市能源系统优化模型以帮助决策者获得不确定条件下较为经济的能源系统管理方案,为青岛市能源系统中长期规划提供决策参考。研究结果可以为探索能源替代背景下的可再生能源联合供电、促进风电消纳政策下的风电供热以及碳排放倒逼效应下的区域能源结构优化和调整等实际问题的解决方案提供一定的参考和借鉴。