在当前电力系统向适应大规模高比例新能源方向演进的背景下,电网对灵活性调节能力的需求呈源、荷双侧式增长。作为资源丰富、响应快速、启停灵活的优质电源,有效、可靠地提供调节能力成为水电站在电力系统转型形势下的一大坚实任务。然而,水电站优化调度在中长期尺度中多以自身效益最大为准则编制运行计划,运行过程难以响应电网实际需求;短期尺度下制定电站调峰计划多以确定性径流为输入,方案落地运用与预期效果存在较大差异;实时尺度研究则多考虑水电单次响应负荷调节需求的经济性与安全性,未将新能源渗透率攀升下调节需求频发导致的水库水位偏差问题纳入考量,调度方案实用性不佳。如何在满足自身管理要求的同时更好地响应电网负荷实际需求,是新形势下水电站优化调度领域亟待解决的关键问题。因此,研究工作以水电能源学、最优化理论和不确定性决策等理论为支撑,采用数学建模、优化分析与工程验证相结合的思路,对响应“中长期-短期-实时”三种时间尺度电网负荷需求的水电站运行方式展开了深入研究,主要研究内容与创新成果如下:（1）在中长期尺度下,为使水电站在调度期内均衡响应电网负荷需求,研究工作从调峰调度视角出发,建立了基于负荷特性的全周期分段原则以获取子调度期集合,提出了兼顾调度人员调峰偏好的子调度期末水位计算方法;在此基础上,构建了以全周期分段-分段切负荷优化-全周期重构为框架的自适应分段切负荷方法,制定了可有效响应负荷需求的电站中长期发电计划。实例结果表明,所提方法能够在电网负荷峰值、峰谷差、峰谷时段等特征于同一调度期内存在较大差异的情况下,全面、灵活地响应调度期内负荷需求,实现负荷峰值削减与日间波动平抑,为水电站在中长期尺度下响应电网负荷需求运行给予有力支撑。（2）在短期尺度下,为使水电站向电网提供更多有效调峰容量,引入信息间隙决策理论模型框架,建立了计及径流不确定性的水电站短期调峰调度模型,采用了自适应分段切负荷方法与二分迭代试算法求解等价转换的单层模型,并进一步分析了短期调峰效果对径流波动幅度、决策者风险态度的敏感性。实例结果表明,所提模型能为不同风险态度决策者提供不确定性环境下的满意调峰方案、需关注的调峰指标等重要调度信息,推求的单位鲁棒性调峰成本与单位机会性调峰价值曲线能为调度人员提供更为可靠、客观的决策建议,为不确定性调峰调度提供了新的技术途径。（3）在短期尺度下,为使梯级水电站安全、稳定地向电网提供更多调峰容量,基于信息间隙决策理论的鲁棒优化框架构建了厂间-厂内双层嵌套优化模型,提出了梯级自适应分段逐次切负荷方法求解厂间模型以获取电站调峰运行方案,并针对厂内模型建立了基于多方案动态规划的调峰运行方法,结合鲁棒优化框架下来水波动范围获取机组运行方案集。实例结果表明,所提双层嵌套优化模型及多方案运行方法在计划执行前预留了机组出力调整裕量,可为下一时段不同来水情景下的机组运行提供方案建议,提升了径流不确定性环境下梯级电站调峰方案实用性与机组安全稳定运行水平。（4）在实时尺度下,针对梯级水电站频繁响应负荷调节需求引起的短期水位计划被破坏等问题,建立了结合实时与远期视角的水电灵活性量化准则,提出了响应负荷频繁波动的梯级水电站实时出力调整方法:依据长期灵活性确定梯级各电站调整次序,实时灵活性确定梯级各电站出力调整量,二者综合作为实时调整方案。实例结果表明,该方法能够在满足电网实时调节需求的同时,有效改善实际运行水位与短期计划设定水位的偏差。与传统实时调度方法相比,所提策略更适应当前水电运行环境,可为调度人员提供有效协调实时、短期及中长期调度计划的运行建议,最大限度地提高水电对电网负荷需求的响应能力。