简介
电力系统最基本的规则是发输用电必须同时完成。多年来，电网运营商一直在确定系统的负荷，并通过增加可用的发电机来满足需求、调整供电。
然而，现在供应侧出现了快速爬坡和高度灵活的联合循环燃气轮机发电等新技术，需求侧也出现了智能热水器和储能等新技术，另外，输电能力和系统运行也得到了改善。这些新技术共同创造了巨大的机会，使电力系统比以往更加灵活。
同时，随着可再生能源（主要是风能和太阳能）并网的比例逐步提高，灵活性在电力系统中的重要性更加突出。
本文着眼于当今可用的各种灵活性资源，并在大量可再生能源电力系统背景下，探讨各种灵活性资源的潜力，以及它们如何共同作用，使电力系统更具经济性、可靠性且富有弹性。
灵活性来自供应侧和需求侧
在过去的几年中，风电和太阳能发电等关键技术的成本已大幅下降，装机速度显著提高。电池储能成本也在持续下降，电动汽车的成本得以降低。
清洁能源成本低，对经济和环境都是好消息。但是，新增可再生能源装机会增加对电网系统灵活性的需求。 这种巨大的灵活性需求使得“反调度”成为可能，即调度负荷以充分消纳可再生能源发电量。我们将分别介绍这些灵活性资源。
一是供应侧的灵活性资源。增加资源和地域的多样性可以充分利用供应侧的灵活性资源。
可再生资源不仅比现有发电资源组合成本更低，而且多样化的可再生能源组合，还提高了电力系统的灵活性。
以德州为例，其风电资源（两个地区）和太阳能发电具有不同但互补的出力曲线。这些资源结合起来，可以产生更平滑的曲线，更接近于系统需求。多样化的可再生资源和扩大平衡范围可以相互补充，从而使系统需求趋于平衡并减少对灵活性发电资源的需求。
美国西部能源不平衡市场（EIM）运行的很成功，说明了扩大市场的规模可以更好地利用可再生能源多样性。EIM是Western Interconnection中的实时平衡市场，具有较大的地理覆盖范围，成员间共享灵活性资源，所以每个成员所需的备用容量都下降了。
但是，更大的市场也可能产生大规模的额外成本，要减少这些成本，又需要更大的电网灵活性。许多大型电力批发市场如新英格兰ISO，电网是为高峰负荷而设计的，“将所有电网基础设施的规模调整到最高峰值的结果是系统效率低下，从2013年到2015年，新英格兰平均每年最高电价时段的用电量仅占全部用电量的1％，电费却占8％，而最高负荷时段的用电量10％则占其年度电费的40％（超过30亿美元 。
建立发电，输电和配电以及相关的天然气管网，却每年仅服务几个系统高峰时段，这是一种昂贵的经营模式，而新技术和其他方法可提供操作灵活性，减少峰荷时间并提供备用容量。只要制定了正确的规则，还是有一些方法可以替代高成本峰荷电力并减轻系统压力。比如电池储能，或抽水蓄能机组利用峰谷差价来赢利。
二是需求侧灵活性，通过对需求侧进行调控来提供灵活性。
随着技术进步，电力调度不再是为了满足不受控制的需求而供应，而是允许管理需求侧以满足可用的供应。 需求响应（DR）并不是什么新鲜事物，但是传统的需求响应程序只专注于在电网压力期间降低负荷。劳伦斯·伯克利国家实验室（LBNL）在介绍DR现在可以提供的各种服务时，采用了一系列比喻来说明了如何利用DR来塑形，移动，甩负荷和摇摆。
塑形：通常引用的加州ISO“鸭形曲线”正说明了利用实时电价塑造负荷的现成机会。
移荷：负荷侧资源还可以将需求转移到一天中更有利的时间，例如，当有多余的可再生能源可用且能源价格较低时。负荷侧资源还可以帮助将需求从更昂贵的时间转移到电价非常低的时段，从而有助于避免对可再生能源的限电。 通过安装开关、无线电控件和智能恒温器，建筑物将变成储热电池：对建筑物的暖气和热水供应进行预冷却或预热。 电动汽车的充电和储能的使用（无论是将来的负荷还是将来的供应）都可以通过类似的方式进行管理。
甩负荷：需求方灵活性还包括甩负荷或压负荷。需求侧响应的传统定义就是甩负荷。适用的技术包括智能照明，可中断的工业过程，空调以及储能等。图14(见原文链接)说明了减少负荷如何减少系统峰值，避免成本以及通常避免调度发电资源。与图10相似，图14显示，2016年罗德岛州居民的电费帐单中，9％电费用于其满足1％的用电量， 26％电量用于支付其中10％的用电量。考虑到如此高昂的成本仅需几个小时，甩负荷策略可以通过减少这几个关键小时的负荷来显着降低整个系统的成本。还减少了峰荷发电厂的排放。
摇摆：用作响应的负荷也可以来回“摇摆”，以满足短期电网需求。这可以帮助应对系统的短期斜坡和干扰。比如，电动汽车充电是可以提供摇摆服务的技术，因为它可以一次全部完成，也可以根据需要进行充电和断开。
需求方可以提供各种各样的灵活性服务，从长达数年和数天的最长时间范围进行塑形，下降到几分钟甚至几秒钟的时间范围进行摇摆。
优化灵活性的方法
我们可以考虑几种类型的工具来优化灵活性：零售定价和对价格敏感的需求，可控的负荷以及开放的规划和市场流程。
零售电价
公用事业公司迅速发现，电量电费是一种不稳定的收入形式，客户可能会寻求替代方案来节省电费。电量电费只考虑了客户在当月的最高电量，而没有考虑该电量是否与系统高峰相重合。因此，电量电费只是客户对系统容量成本贡献的一个估算，支付相同电量电费的不同客户，其用电模式差或许别很大，但电量电费却反映不出来。此外，对低电量用户和公寓居民的影响也是不成比例的。实行分时电价设计可以更公平地分摊成本，使电费账单更具可预测性，客户更容易理解。
一些公用事业追求更智能的电费设计，正在从电量电价转向实时电价（TOU），比如科罗拉多州柯林斯堡的市政公用事业公司最近采用了美国最佳设计的住宅电价。他们将所有住宅客户采取实时电价政策，首先，仅用于回收成本的低用电量客户费用。其次是，极低的低谷期电价。第三，高峰时段的电价是非高峰时段电价的三倍。最后，对于每月用电量在700 kWh以上的所有用户实行的“阶梯电价”，可实现之前的节能效果。
受控负荷
终端电气化是集成更高比例可再生能源的有效且低成本的方式。如在建筑中采用热泵和冰储能，以及智能恒温器，可实现对负荷的控制。
规划和市场流程
为电力系统增加灵活性的第三类工具是规划和市场流程。例如，监管机构可以支持受益于太阳能，风电和储能市场采购的计划。
以及，监管机构可以要求电力批发市场向聚合的分布式能源资源和储能开放。加州ISO于2014年发起了电力储能和分布式能源（ESDER）计划，针对接入ISO的和接入配电网的资源，旨在提高它们参与ISO市场的能力。 ESDER计划已进行到第三阶段，并于2018年完成，有待FERC批准。它提供了一种竞价机制，该机制允许聚合的表后资源提供服务。
监管机构还可以在化石燃烧电厂退役时，批准先进的技术替代方案，以包括能效，需求响应和光伏分布式发电，储能，变电站升级和线路重新定价的组合，来避免新建输电线路和大型发电厂。
需求侧解决方案也可以用于管理季节性负荷。在这种情况下，批发市场规则至关重要。
监管机构设计电价时，要反映地区，公用事业，区域，节点甚至电路级别的电网管理需求。电力市场设计者和利益相关方需要开发不同规模的市场，这些市场将奖励创新的解决方案，以提供能源并有效地使用输配电线路。监管机构和政策制定者可以设计市场和公用事业响应，以非歧视的方式利用先进技术，并可以利用创新来降低消费者成本并提高可靠性和系统弹性。
结论
本文旨在说明如何使电网更加灵活，从而使其能够容纳更多的可再生能源。灵活的发电，输电功能，系统操作和可管理的需求方资源都可以有助于我们已经描述的系统灵活性。这是监管机构提供政策指导以帮助实现更加灵活的电网的机会。
