本发明公开一种模块化负荷灵活调节的富氧燃烧发电系统及其运行方法，其中锅炉基础单元负荷模块和锅炉单元负荷模块的燃料入口均与燃料供应装置的燃料出口连接；锅炉基础单元负荷模块和锅炉单元负荷模块的蒸汽出口均与汽轮机的蒸汽入口连接，汽轮机与发电机连接；锅炉基础单元负荷模块的烟气出口分为两路，一路与烟气净化脱水装置连接，另一路与锅炉单元负荷模块连接；锅炉单元负荷模块的烟气出口与烟气净化脱水装置连接；锅炉基础单元负荷模块和锅炉单元负荷模块还与空分制氧装置的氧气出口连接。本发明能够满足火电厂机组灵活深度调峰的要求，经济性较高。