环境污染和能源危机是维持社会可持续发展必需攻克的难题，在严峻的节能减排形势下，大力发展需求响应提高电能生产、使用效率成为普遍共识。需求响应作为智能电网建设中的重要组成部分，是提高电力系统运行效率的重要手段，是支持国民经济和电力工业可持续发展的重要途径和必然选择，对全社会的节能减排工作意义重大。
作为高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100201110022)“智能电网下需求响应理论与应用研究”的一部分，本文对不同电力市场环境下的智能电网需求响应理论及其应用层面进行了探索性研究。本文在总结智能电网和需求响应研究成果的基础上，在中外不同的电力市场环境背景下，围绕智能电网的互动性、大规模新能源接入和家用电器智能化等特征，依据数学优化理论、博弈论，分别开展了供需互动的电价决策、协调新能源发电的需求响应与智能家用电器的直接负荷控制等问题的研究。主要研究工作如下：　
1）利用随机生产模拟工具，计及用户需求响应，建立了基于直接效益评估的峰谷分时电价决策模型。该模型以火电机组燃料成本和风险成本作为决策目标，综合了传统的基于供电成本定价模型与以负荷整形为目标峰谷电价决策模型的优点，能够给出用户响应峰谷电价后系统电能生产成本和可靠性的量化指标。设计了峰谷时段划分的二进制整数编码型式，通过线性约束使各时段满足持续时间等约束条件。通过峰谷时段划分及电价水平决策联合优化，得到了最优的时段划分和电价组合。实施峰谷电价后，高煤耗机组发电量向低煤耗机组转移，降低了燃料成本，同时系统供电可靠性得到了较大的改善。
2）针对电力市场环境，建立了考虑发电侧、供电侧、大规模储能系统及用户响应的实时电价联动模型。各参与方通过电价信号的传递不断修正自己的策略直至均衡电价形成。设置了3种情形对模型进行仿真，通过各参与方的联动，形成了实时电价。大规模储能电站的充放电行为，改善了系统运行环境，降低了电能生产成本。储能电站分享了发供电侧部分收益，但是通过在负荷高峰放电，降低了发输电对容量的要求，提高了发输电设备的利用率，为发、供电侧带来了缓建效益。
3）提出了通过需求侧管理激励负荷侧的高载能企业参与调峰，提高系统风电消纳能力的错峰峰谷分时电价机制。考虑了高载能企业转移负荷能力差的特点及其对峰谷分时电价时段连续划分的诉求，建立了相应的峰谷时段连续划分的错峰用电模型，并以提高系统谷时风电消纳能力为目标建立了错峰峰谷电价决策模型。通过解耦时段划分与电价优化，设计了2步优化方法求解峰谷时段与电价综合优化模型。错峰峰谷电价避免了传统多峰时段峰谷电价对用户的频繁扰动，更加适合高载能企业等大用户的生产特点。通过协调各用户的峰谷时段划分，减少峰时段时长，减轻了高载能企业电力成本压力，提高了其参与调峰的积极性。
4）针对以火电为主、调峰难、缺少尖峰电力的电源结构，提出了需求响应下的系统风电接纳能力不足问题的解决途径。综合考虑风电场、电力用户和供电公司利益，建立了多目标变时段尖峰电价决策模型。外层电价决策采用带精英策略的非支配排序遗传算法(Non-Dominated　Sorting　Genetic　Algorithm，NSGA-II)求解，将系统最小开机式下的最小技术出力转化为确定负荷下的内层机组组合优化问题，从机组组合角度评价了尖峰电价对系统风电消纳能力的影响。尖峰电价有效地削减了研究周期系统的尖峰负荷，减少了在线火电机组数量，有效提高了系统接纳风电的能力。
5）基于市场化程度成熟的情况，提出了居民用户与零售商合作博弈直接负荷控制（Direct　Load　Control，DLC）机制，建立了零售商代理居民DLC合作博弈模型。零售商作为市场的直接参与者，能够实时掌握市场信息，并动态的、策略性的调控合作联盟的市场竞价策略与居民用电器的用电计划，减少联盟购电费用，增加联盟在市场中的效益。采用Shapley值联盟效益分配法，使联盟成员公平的获得联盟效益，简化了居民用户参与市场的条件。同时，策略性的调整零售商市场购电量和居民用电量，实现了零售商购电-用电不平衡的自我管理，避免支付调峰费用。居民用户与零售商DLC合作博弈联盟，为居民用户创造了间接参与平衡市场的机会，降低了零售商在平衡市场中购电风险。控制目标的实现完全在用户设定的约束边界内，减少了DLC对用户的干扰。
大量的场景和算例分析验证了本文所提出的各类模型的适用场合和有效性。