傳統電力系統中，電源主要以出力可控的火電機組、水電機組為主，這些電源都具有較強的負荷跟蹤能力和調節性能。而隨著大規模風、光可再生能源發電和分布式電源的不斷發展，電源結構中調節能力不足、出力具有較強不確定性的電源占比明顯增加；同時伴隨第三產業和居民用電比重的提升，電網負荷特性不斷惡化，系統峰谷差持續拉大，負荷率不斷下降，也極大增加了電力系統的不確定性。應對持續增加的不確定性已成為現代電力系統的主要挑戰，系統安全、可靠運行需要充分調動“源 - 網 - 荷 - 儲”各類資源的靈活性，才能保證系統在供給或需求發生變動時及時做出反應。

電力系統靈活性定義

電力系統靈活性的概念于近幾年才被正式提出，并得到國際能源署（IEA）和北美電力可靠性委員會（NERC）等國際組織的認可。IEA 將電力系統靈活性定義為在一定經濟運行條件下，電力系統對供應或負荷大幅波動做出快速響應的能力。NERC 將電力系統靈活性定義為利用系統資源滿足負荷變化的能力。與此同時，學術領域也開展了大量關于電力系統靈活性的研究。Lannoye 等人將靈活性定義為電力系統利用其靈活性資源應對凈負荷變化的能力，其中波動性和不確定性主要來自于供需和設備故障。研究團隊將電力系統靈活性定義為在合理的成本和不同的時間尺度下，系統應對波動性和不確定性的能力。Ma 等人將電力系統靈活性定義為系統以最小成本應對波動性和不確定性、并保證系統可靠性的能力。綜合來看，當前電力系統靈活性的定義并不統一，在前人研究的基礎上報告定義電力系統靈活性為：在滿足一定經濟性和可靠性前提下，系統應對不確定性的能力。這種靈活能力可分為“上調節”和“下調節”，“上調節”即向系統提供額外的功率，發電機組增加出力或削減負荷均能夠起到相同的作用；“下調節”即削減系統中多余的功率，發電機組削減出力或增加負荷也均能起到相同的作用。電力系統的靈活性資源分布于發電側、電網側和用戶側，隨著技術的快速發展，儲能也成為電力系統不容忽視的靈活性來源。相較電力系統運行基本要求的安全性、可靠性和經濟性，靈活性伴隨當前電力系統不確定性的大幅提高，已成為衡量系統運行特性不可缺少的重要指標。

電源側靈活性資源特性

常規水電

常規水電利用江河水體中的位能進行發電，按水庫調節性能可分為多年調節水電站、年調節水電站、季調節水電站、周調節水電站、日調節水電站和無調節能力的徑流式水電站等。具有調節能力的水電站擁有開停機迅速、負荷調節快等靈活特點，在電力系統中起著調頻、調峰和備用的作用，不同調節能力的水電站各自的出力特性如下。

（1）徑流式水電站：無水庫，基本上來水多少決定發電多少。

（2）日調節、周調節、月調節式水電站：具備較小水庫庫容，水庫的調節周期為一晝夜 / 一周 / 一月；三種類型水電站蓄水能力和適應用電負荷要求的調節能力較弱，水電站只能根據上游的來水情況通過夜間蓄水少發、白天多發，或上旬蓄水少發、下旬多發來滿足電力系統的調節需要。

（3）季調節類型水電站：具有相對較大的水庫庫容，可以根據當年河流的來水情況確定在某一季節，如：汛期少發電多蓄水，所蓄的水量留在另一季節（如枯期）多發電，以達到對電力系統調節的目的；

（4）年調節式水電站：可以實現對一年內各月天然徑流進行優化分配和調節，將豐水期多余的水量存入水庫，保證枯水期放水發電。

（5）多年調節式水電站：將不均勻的多年天然來水進行優化分配、調節；多年調節的水庫容量較大，可以根據歷年來的水文資料和實際需要確定當年的發電量和蓄水量，還可以將豐水年所蓄水量留存到平水年或枯水年使用，以保證電廠的可調能力；多年調節式水電廠對于天然洪水也具有較強的調控能力，不僅能滿足電力系統調節需要，還可以通過水庫調度實現消洪、錯洪，對于大江、大河的防汛工作也具有十分重要的作用。

火電

火電是將化石燃料的化學能轉化為電能的發電設備，按燃料類型火電廠一般可以分為燃煤發電廠、燃氣發電廠和燃油發電廠。影響火電機組靈活性的參數主要包括最小穩定出力、爬坡速度和啟動時間等，其中最小穩定出力決定了火電機組能夠提供的調節空間，爬坡速度則決定了系統在不同時間尺度下的調節能力，啟動時間主要反映了冷備用機組在負荷增長、可再生能源出力降低情況下為系統提供靈活性的響應速度。不同類型火電機組出力特性如下。

（1）燃煤發電機組：從最小穩定出力來看，未改造的燃煤機組最小穩定出力通常為 50% 的額定容量，最新運行經驗表明大多數 60 萬千瓦及其以下機組的最小穩定出力在不增加任何改造投入的情況下，可壓至額定容量的 40% 左右；通過熱電解耦、低壓穩燃等技術改造，煤電機組的最小穩定出力可以降至 20%-30% 的額定容量。從爬坡速率來看，燃煤機組的爬坡速度一般為額定容量的 1-2%/ 分鐘，較新機組的爬坡速度可達到額定容量的 3-6%/ 分鐘，但仍低于燃氣發電機組；提高燃煤機組爬坡速度既需要對控制系統進行軟件升級，也需要對機組設備進行技術改造，爬坡速度改變通常不會對電廠的平均效率產生影響，但會對部分機組部件使用壽命產業不可避免的傷害。從啟動時間來看，燃煤機組啟動時間通常取決于是熱態啟動、暖態啟動還是冷態啟動，其中熱態啟動是指燃煤機組停運時間不足 8 小時情況下的啟動，暖態啟動一般是指燃煤機組已經停運 8-48 小時后的啟動，冷態啟動則表示燃煤機組已經停機超過 48 小時情況下的啟動；燃煤機組的熱態啟動一般在 3-5 小時之間，通過技術改造目前國際最先進燃煤機組的熱態啟動時間可短至1.5 小時左右。

（2）燃氣發電機組：與燃煤機組相比，燃氣—蒸汽聯合循環機組在效率、環保特性、造價等方面都具有很大的優勢，并且還具有啟動快、調峰性能好等特性，常被用作首選的調峰手段。同時由于燃氣電廠在占地面積、用水量、環保等方面均優于其他類型電廠，這也使得燃氣電廠通常建設在負荷中心，實現就地供電。特別是隨著分布式可再生能源的快速發展，燃氣發電的優勢越來越凸顯，可以有效減輕電網建設和輸電的壓力，提高電力系統運行的穩定性。

（3）燃油發電機組：燃油機組也具備啟動迅速、調峰性能好、效率高、排放污染小等優點，也是電力系統公認的調峰機組，不僅如此，燃油機組還可以為系統提供調頻、備用、黑啟動等服務，但由于其發電成本較高，目前燃油發電應用相對較少。

電網側靈活性資源特性

電網是輸送電力的載體，也是實現電力系統靈活性的關鍵，良好的電網建設與運行調度能夠保障電力供給的安全性和可靠性，增強電力系統融合可再生能源發電的能力，保證電力資源的高效配置。電網主要靈活性資源特性如下。

互聯互濟

大型電力系統通常劃分為多個區域電網，各個區域電網由聯絡線連接，區域間依靠聯絡線實現電力電量交換。對于某一區域 A 而言，依靠電網互聯互濟，具備傳輸能力的聯絡區域 B 既可看作是區域 A 的電源，又可以認為是區域 A 的負荷。電網互聯互濟可以利用各地區用電的非同時性進行負荷調整，減少備用容量和裝機容量；各地區之間通過互供電力、互通有無、互為備用，還能有效減少事故備用容量，增強系統抵御事故的能力，提高電網安全水平和供電可靠性；另外互聯互濟還有助于系統承受較大的負荷沖擊和電源波動，改善電能質量，吸納更多風光波動性電源。

柔性輸電

靈活交流輸電系統（FACTS）是近年來出現的一項新技術。它應用電力電子技術最新發展成果，結合現代控制技術，使電網電壓、線路阻抗及功率角等可按系統的需要迅速調整；在不改變網絡結構的情況下，使電網的功率傳輸能力以及潮流和電壓的可控性大為提高，可有效降低功率損耗和減少發電成本，大幅度提高電網靈活性、穩定性、可靠性。FACTS 的主要功能可歸納為：  1）較大范圍地控制潮流使之按指定路徑流動；2）保證輸電線路的負荷可以接近熱穩定極限又不過負荷；3）在控制的區域內可以傳輸更多的功率，減少發電機組熱備用；4）限制短路和設備故障影響，防止線路串級跳閘；5）為設備損壞或者過載帶來的電力系統震蕩提供一定的阻尼。

微電網

微電網以分布式發電技術為基礎，由分布式電源、負荷、儲能裝置、控制系統等組成，形成模塊化、分散式的供電網絡。微電網是一個可以自治的單元，可根據電力系統或微電網自身的需要實現孤島模式與并網模式間的無縫轉換，有利于提高電力系統的可靠性、電能質量以及靈活性。微電網并網運行時，可以作為大小可變的智能負荷，能在數秒內做出響應以滿足系統需要，為電力系統提供靈活支撐；此外，微電網將間歇性、波動性較強的可再生能源整合并納入同一個物理網絡中，通過儲能裝置和控制系統平滑輸出波動，提高可再生能源的可用容量。微電網孤島運行時，又可利用儲能裝置和控制系統保持內部電壓和頻率的穩定，保證網內用戶的電力供應。

用戶側靈活性資源特性

電力需求側管理是電力系統靈活性的另一重要來源，它通過采取各種措施引導用戶優化用電方式，不僅可以平抑用電負荷的波動性，減小負荷的峰谷差，提高電網利用效率，而且還可以通過調動負荷側的響應資源來滿足系統靈活性需求，保障系統的安全、可靠運行和促進更多可再生能源的利用。電力需求側管理主要通過兩類舉措對電力負荷。進行管理：激勵型和電價型，這兩類需求側管理都能從需求側出發來應對電力系統功率的不平衡問題。從廣義的角度看，需求側管理可被認為是一種虛擬的發電資源，可以實現不同容量的秒級、分鐘級、10 分鐘級以及中長期等時間尺度反應，能夠快速滿足系統需求側變化的要求，提升電力系統的靈活性。

激勵型需求側管理

激勵型需求側管理是針對具體的生產工藝和生活習慣，通過行政等手段對其用電方式進行管理和約束，推動采用先進節電技術和設備來提高終端用電效率或改變用電方式。目前激勵型需求側管理具體包括：

（1）改變用電方式：利用時間控制器和需求限制器等自控裝置實現負荷的循環和間歇控制，達到負荷需求的錯峰調劑；通過行政手段，安排用戶進行有序用電，減少負荷高峰期的用電負荷，進行負荷的有效轉移。

（2）提高終端用電效率：推廣節能型電冰箱、節能型電熱水器、變頻空調器、熱泵熱水器等；推動用戶選擇高效節能照明器具替代傳統低效的照明設備，使用先進的控制技術以提高照明用電效率和照明質量；促進電動機應用調速技術，降低空載率，實現節電運行；推廣遠紅外加熱、微波加熱、中高頻感應加熱等高效加熱技術。

電價型需求側管理

電價型需求側管理主要根據負荷特性，發揮價格杠桿調節電力供求關系，刺激和鼓勵用戶改變消費行為和用電方式，減少電力需求和電量消耗。目前常用的手段包括：

（1）調整電價結構：國內外通行的方法主要有設立容量電價、峰谷電價、季節性電價、可中斷負荷電價等，通過價格體現電能的市場差別，不僅激發電網公司實施需求側管理的積極性，又促進用戶主動參與需求側管理活動。

（2）開展需求側競價：電力終端用戶采取節電措施消減負荷，用戶削減的電力和電量在電力交易所通過招標、拍賣、期貨等進行交易，獲取經濟回報。

（3）直接激勵措施：給予購置削峰效果明顯的優質節電產品用戶、推銷商或生產商適當比例的補貼，吸引更多的參與者參與需求側管理活動，形成節電的規模效應；對于優秀節電方案給予“用戶節電獎勵”，激發更多用戶提高用電效率的熱情；向購置高效節電設備，尤其是初始投資較高的用戶提供低息或零息貸款，以減少它們參加需求側管理項目在資金方面存在的障礙；對收入較低或對需求側管理反應不太強烈的用戶實行節電設備免費安裝或租賃，以節電效益逐步回收設備成本。

儲能靈活性資源特性

儲能技術不僅可以削峰填谷，平滑負荷，還可以提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動，特別是儲能技術與可再生能源的結合，能顯著提高可再生能源的利用效率。現有的儲能技術主要包括：電池儲能、抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等，其中抽水蓄能將負荷低谷期多余的電能轉變為高峰期高價值的電量，不僅適用于調頻、調相、穩定電力系統周波和電壓，而且適宜作為事故備用，是當前電力系統主要的靈活性資源。

表 1 給出了一般情況下各種儲能技術的性能對比，電池儲能和飛輪儲能響應時間很短，但存儲容量較小，經濟性較差；壓縮空氣儲能存儲容量最大可至 100 吉瓦時，但響應時間較慢。儲能技術本身可為電力系統提供或吸收大量的有功功率，抽蓄等儲能技術是電力系統靈活性的重要來源；伴隨技術的快速發展，不同儲能方式可滿足不同時間尺度下靈活性需求。