傳統(tǒng)電力系統(tǒng)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(jié)性能。而隨著大規(guī)模風、光可再生能源發(fā)電和分布式電源的不斷發(fā)展，電源結構中調節(jié)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(yè)和居民用電比重的提升，電網(wǎng)負荷特性不斷惡化，系統(tǒng)峰谷差持續(xù)拉大，負荷率不斷下降，也極大增加了電力系統(tǒng)的不確定性。應對持續(xù)增加的不確定性已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)，系統(tǒng)安全、可靠運行需要充分調動“源 - 網(wǎng) - 荷 - 儲”各類資源的靈活性，才能保證系統(tǒng)在供給或需求發(fā)生變動時及時做出反應。
電力系統(tǒng)靈活性定義
電力系統(tǒng)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(tǒng)靈活性定義為在一定經濟運行條件下，電力系統(tǒng)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(tǒng)靈活性定義為利用系統(tǒng)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(tǒng)靈活性的研究。Lannoye 等人將靈活性定義為電力系統(tǒng)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(tǒng)靈活性定義為在合理的成本和不同的時間尺度下，系統(tǒng)應對波動性和不確定性的能力。Ma 等人將電力系統(tǒng)靈活性定義為系統(tǒng)以最小成本應對波動性和不確定性、并保證系統(tǒng)可靠性的能力。綜合來看，當前電力系統(tǒng)靈活性的定義并不統(tǒng)一，在前人研究的基礎上報告定義電力系統(tǒng)靈活性為：在滿足一定經濟性和可靠性前提下，系統(tǒng)應對不確定性的能力。這種靈活能力可分為“上調節(jié)”和“下調節(jié)”，“上調節(jié)”即向系統(tǒng)提供額外的功率，發(fā)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(jié)”即削減系統(tǒng)中多余的功率，發(fā)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(tǒng)的靈活性資源分布于發(fā)電側、電網(wǎng)側和用戶側，隨著技術的快速發(fā)展，儲能也成為電力系統(tǒng)不容忽視的靈活性來源。相較電力系統(tǒng)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(tǒng)不確定性的大幅提高，已成為衡量系統(tǒng)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(guī)水電
常規(guī)水電利用江河水體中的位能進行發(fā)電，按水庫調節(jié)性能可分為多年調節(jié)水電站、年調節(jié)水電站、季調節(jié)水電站、周調節(jié)水電站、日調節(jié)水電站和無調節(jié)能力的徑流式水電站等。具有調節(jié)能力的水電站擁有開停機迅速、負荷調節(jié)快等靈活特點，在電力系統(tǒng)中起著調頻、調峰和備用的作用，不同調節(jié)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(fā)電多少。
（2）日調節(jié)、周調節(jié)、月調節(jié)式水電站：具備較小水庫庫容，水庫的調節(jié)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(jié)能力較弱，水電站只能根據(jù)上游的來水情況通過夜間蓄水少發(fā)、白天多發(fā)，或上旬蓄水少發(fā)、下旬多發(fā)來滿足電力系統(tǒng)的調節(jié)需要。
（3）季調節(jié)類型水電站：具有相對較大的水庫庫容，可以根據(jù)當年河流的來水情況確定在某一季節(jié)，如：汛期少發(fā)電多蓄水，所蓄的水量留在另一季節(jié)（如枯期）多發(fā)電，以達到對電力系統(tǒng)調節(jié)的目的；
（4）年調節(jié)式水電站：可以實現(xiàn)對一年內各月天然徑流進行優(yōu)化分配和調節(jié)，將豐水期多余的水量存入水庫，保證枯水期放水發(fā)電。
（5）多年調節(jié)式水電站：將不均勻的多年天然來水進行優(yōu)化分配、調節(jié)；多年調節(jié)的水庫容量較大，可以根據(jù)歷年來的水文資料和實際需要確定當年的發(fā)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(jié)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(tǒng)調節(jié)需要，還可以通過水庫調度實現(xiàn)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(fā)電設備，按燃料類型火電廠一般可以分為燃煤發(fā)電廠、燃氣發(fā)電廠和燃油發(fā)電廠。影響火電機組靈活性的參數(shù)主要包括最小穩(wěn)定出力、爬坡速度和啟動時間等，其中最小穩(wěn)定出力決定了火電機組能夠提供的調節(jié)空間，爬坡速度則決定了系統(tǒng)在不同時間尺度下的調節(jié)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(tǒng)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(fā)電機組：從最小穩(wěn)定出力來看，未改造的燃煤機組最小穩(wěn)定出力通常為 50% 的額定容量，最新運行經驗表明大多數(shù) 60 萬千瓦及其以下機組的最小穩(wěn)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(wěn)燃等技術改造，煤電機組的最小穩(wěn)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(fā)電機組；提高燃煤機組爬坡速度既需要對控制系統(tǒng)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(yè)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(tài)啟動、暖態(tài)啟動還是冷態(tài)啟動，其中熱態(tài)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(tài)啟動一般是指燃煤機組已經停運 8-48 小時后的啟動，冷態(tài)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(tài)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(tài)啟動時間可短至1.5 小時左右。
（2）燃氣發(fā)電機組：與燃煤機組相比，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在效率、環(huán)保特性、造價等方面都具有很大的優(yōu)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(huán)保等方面均優(yōu)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(xiàn)就地供電。特別是隨著分布式可再生能源的快速發(fā)展，燃氣發(fā)電的優(yōu)勢越來越凸顯，可以有效減輕電網(wǎng)建設和輸電的壓力，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
（3）燃油發(fā)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(yōu)點，也是電力系統(tǒng)公認的調峰機組，不僅如此，燃油機組還可以為系統(tǒng)提供調頻、備用、黑啟動等服務，但由于其發(fā)電成本較高，目前燃油發(fā)電應用相對較少。
電網(wǎng)側靈活性資源特性
電網(wǎng)是輸送電力的載體，也是實現(xiàn)電力系統(tǒng)靈活性的關鍵，良好的電網(wǎng)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(tǒng)融合可再生能源發(fā)電的能力，保證電力資源的高效配置。電網(wǎng)主要靈活性資源特性如下。
互聯(lián)互濟
大型電力系統(tǒng)通常劃分為多個區(qū)域電網(wǎng)，各個區(qū)域電網(wǎng)由聯(lián)絡線連接，區(qū)域間依靠聯(lián)絡線實現(xiàn)電力電量交換。對于某一區(qū)域 A 而言，依靠電網(wǎng)互聯(lián)互濟，具備傳輸能力的聯(lián)絡區(qū)域 B 既可看作是區(qū)域 A 的電源，又可以認為是區(qū)域 A 的負荷。電網(wǎng)互聯(lián)互濟可以利用各地區(qū)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(qū)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(tǒng)抵御事故的能力，提高電網(wǎng)安全水平和供電可靠性；另外互聯(lián)互濟還有助于系統(tǒng)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(tǒng)（FACTS）是近年來出現(xiàn)的一項新技術。它應用電力電子技術最新發(fā)展成果，結合現(xiàn)代控制技術，使電網(wǎng)電壓、線路阻抗及功率角等可按系統(tǒng)的需要迅速調整；在不改變網(wǎng)絡結構的情況下，使電網(wǎng)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(fā)電成本，大幅度提高電網(wǎng)靈活性、穩(wěn)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(wěn)定極限又不過負荷；3）在控制的區(qū)域內可以傳輸更多的功率，減少發(fā)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(tǒng)震蕩提供一定的阻尼。
微電網(wǎng)
微電網(wǎng)以分布式發(fā)電技術為基礎，由分布式電源、負荷、儲能裝置、控制系統(tǒng)等組成，形成模塊化、分散式的供電網(wǎng)絡。微電網(wǎng)是一個可以自治的單元，可根據(jù)電力系統(tǒng)或微電網(wǎng)自身的需要實現(xiàn)孤島模式與并網(wǎng)模式間的無縫轉換，有利于提高電力系統(tǒng)的可靠性、電能質量以及靈活性。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，可以作為大小可變的智能負荷，能在數(shù)秒內做出響應以滿足系統(tǒng)需要，為電力系統(tǒng)提供靈活支撐；此外，微電網(wǎng)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(wǎng)絡中，通過儲能裝置和控制系統(tǒng)平滑輸出波動，提高可再生能源的可用容量。微電網(wǎng)孤島運行時，又可利用儲能裝置和控制系統(tǒng)保持內部電壓和頻率的穩(wěn)定，保證網(wǎng)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(tǒng)靈活性的另一重要來源，它通過采取各種措施引導用戶優(yōu)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(wǎng)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(tǒng)靈活性需求，保障系統(tǒng)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(fā)來應對電力系統(tǒng)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(fā)電資源，可以實現(xiàn)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(tǒng)需求側變化的要求，提升電力系統(tǒng)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(jié)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(xiàn)負荷的循環(huán)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(jié)能型電冰箱、節(jié)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(jié)能照明器具替代傳統(tǒng)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(xiàn)節(jié)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(jù)負荷特性，發(fā)揮價格杠桿調節(jié)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(jié)性電價、可中斷負荷電價等，通過價格體現(xiàn)電能的市場差別，不僅激發(fā)電網(wǎng)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(jié)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(yōu)質節(jié)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(jié)電的規(guī)模效應；對于優(yōu)秀節(jié)電方案給予“用戶節(jié)電獎勵”，激發(fā)更多用戶提高用電效率的熱情；向購置高效節(jié)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(jié)電設備免費安裝或租賃，以節(jié)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(tǒng)運行穩(wěn)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?，F(xiàn)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?yōu)楦叻迤诟邇r值的電量，不僅適用于調頻、調相、穩(wěn)定電力系統(tǒng)周波和電壓，而且適宜作為事故備用，是當前電力系統(tǒng)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(tǒng)提供或吸收大量的有功功率，抽蓄等儲能技術是電力系統(tǒng)靈活性的重要來源；伴隨技術的快速發(fā)展，不同儲能方式可滿足不同時間尺度下靈活性需求。
