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英國2019.8.9大斷電事故全析

作者:朱介北 洪啟騰 來源:全球能源互聯網期刊 發布時間:2019-08-18 瀏覽:
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本次大斷電事故雖然只切除了英格蘭及威爾士區域約5%負荷,體現出已有技術管理措施對防控大電網連鎖故障的有效性,但仍暴露出高比例可再生能源電網安全穩定運行面臨的多方面隱患。兩位作者在英國電力界工作多年,結合觀測到的有限數據和相關信息,提出相關推測。

英國2019.8.9大斷電事故全析


? 圖1:英國大斷電造成的交通癱瘓

英國當地時間2019年8月9日16時54分左右,英格蘭及威爾士地區發生大規模停電事故,波及范圍達一百萬人以上。停電事故造成部分鐵路和公路設施癱瘓,對居民生活、工業生產和社會活動產生極其嚴重的影響。作為不列顛島唯一的調度中心,英國國家電網公司當晚聲明:“今晚我們遭受了非常意外的和不常見的斷電事件,兩座發電站同時跳閘,導致系統頻率大幅下跌。”“雖然跳閘事件我們無法控制,但通過切除一部分用電負荷措施,我們保障了大電網的運行。”電力供應在事件發生一個半小時之后全部恢復。此次停電,與2008年英國發生的大斷電極其相似:2008年5月27日,4臺發電機恰巧同時跳閘,損失出力共計1993MW,致使大量電力用戶受到影響,系統的低頻自動卸荷系統切除了部分負載,使電網運行穩定性逐漸恢復,全過程共持續三分半鐘。

? 圖2:英國電力系統的運轉中樞-英國國家電網電力調度中心

一、英國電力系統概況

截止2018年底,英國的發電總裝機容量約為80GW。燃煤發電在政府的高二氧化碳排放稅限制下逐漸關停,以風電為首的新能源發電在Renewable Obligation 和Contract for Difference等新能源鼓勵政策的驅動下發展迅速。2017年4月21日英國首次實現了工業革命以來的24小時零煤炭發電,這標志著英國在新能源發展和降低工業二氧化碳排放方面邁入了嶄新的領域。英國國家電網公司也在今年四月提出在2025年實現電網"零碳"運行的目標。然而,新能源快速發展所帶來的系統穩定性問題,也為電網安穩運行埋下了潛在的隱患。

英國的輸電網電壓等級為400 kV和275 kV(蘇格蘭地區132 kV也屬于輸電網),擁有超過23000 km的架空線和1500 km的電纜,變電站700余座,主變壓器1200余臺。配電網主要電壓等級為132 kV(英格蘭及威爾士),66 kV,33 kV,11 kV和400 V,城市配電線路以電纜為主。英國不列顛島目前有4條國際直流互聯網線路和1條嵌入式高壓直流線路。2條國際直流線路分別連接愛爾蘭(EWIC, 容量500 MW)和北愛爾蘭(Moyle,容量500 MW),1條連接法國(IFA,容量2000 MW),其余1條連接荷蘭(BritNed,容量1000 MW)。2017年投運的嵌入式高壓直流線路(Western Link,容量2400 MW)連接蘇格蘭西部海岸與英格蘭西北部海岸,保障了蘇格蘭大量風力發電向英格蘭用電中心的饋入。

二、停電事故相關的小巴福天然氣電站與霍恩熙風電場

本次大停電,主要與兩個大型發電廠相關:Little Barford小巴福天然氣發電站和Horsea Offshore霍恩熙離岸風電場。小巴福電站采用聯合燃氣輪機發電技術,裝機容量為724MW,由2臺通用電氣制造的220MW燃氣輪發電機組和1臺前阿爾斯通公司制造的265MW汽輪發電機組成,并網點為倫敦北部劍橋郡額定電壓400kV的EstonSocon變電站。霍恩熙風電場位于北海近不列顛島海域,目前裝機容量為1200MW,由174臺西門子制造的7WM Gamesa風電機構成,通過額定電壓為220kV的120km海底交流電纜并網,并網點為林肯郡額定電壓400kV的Killingholme變電站。霍恩熙風電場的建設分期進行,預計2020年完全建成后最大容量達6GW,將成為世界上最大的離岸風電場。

蘇格蘭地區負荷少而風電水電豐富,為了滿足主要負荷中心倫敦的電力需求,蘇格蘭過剩的發電經自北向南的輸電網走廊輸送至倫敦,這決定了英國為應對由北向南主要潮流走向的電網規劃格局。從下圖所示兩個跳閘發電廠的并網變電站位置可以看出,位于上游的霍恩熙風電場和下游的小巴福發電站僅通過一條雙回路400kV高架線互聯,沒有其他電網參與互聯,二者電氣距離并不遠。進而造成二者間同步耦合強度較大,易產生相互作用。

? 圖3:英國電網發生故障的小巴福燃氣電站與霍恩熙風電場的電氣位置

三、2019.8.9大斷電事故始末

如下圖所示,事故發生前,英不列顛島電力系統的總負荷約為33GW,發電即時出力占比為:25%天然氣發電(8.4GW),19%核能發電(6.2GW),5%生物質發電(1.6GW),2%燃煤發電(0.5GW),7%來自歐洲的高壓直流送電(2.3GW),27%風力發電(8.9GW),13%分布式風電和光伏發電(4.4GW)。值得注意的是,因缺乏旋轉機械慣量和無功輸出能力而對系統穩定性支持較弱的電力電子并網型非同步電源(包括高壓直流送電、風電和光伏)占比為47%,接近系統發電出力的一半。由于非同步發電相較同步電機存在無功能力弱、故障電流小、機械慣量缺乏等缺點,事件發生時的英國電網應被認為是一個穩定性較弱的電力系統。

? 圖4:2018年8月9日英國全網負荷與發電類型

本次事故發生于當地時間16時54分,小巴福燃氣電站(約660MW)與霍恩熙風電場(約700MW)在短時間內先后突然跳閘,導致超過1.3GW的發電饋入損失。實際測量到的系統頻率變化如圖5所示。系統頻率以接近0.2Hz/s的RoCoF(Rate of Change of Frequency)變化速率陡然下跌,28秒后被調度中心預先部署的一次頻率響應服務所牽制,暫時穩定在49.1Hz,隨即又下降至48.8Hz。48.8Hz是英格蘭及威爾士6大配電網公司啟動自動低頻減載的閾值,配電網公司中約5%的負荷被自動切除后,系統用電和發電趨于平衡,頻率開始回升,4分45秒后頻率首次恢復至額定值50Hz。出于后續供電安全的考慮,調度操作員啟動了更多的發電機組,頻率在相當長一段時間內運行在50.2Hz左右。

? 圖5:事故前后系統實際頻率測量曲線

四、原因何在?

依據英國國家電網公司在官方披露的信息,以及作者在英國電力工業界的多年工作經驗,并結合知情人士提供的相關信息,本文對這次大停電事故進行梳理和分析。英國電監會OFGEM要求英國國家電網公司進行詳細調查。8月16日,英國國家電網宣布初步調查報告已經提交至OFGEM,并且將于近期發布。由于目前信息仍十分有限,所述原因僅是筆者推斷,有可能與真實情況存在偏差。

重點一:先前媒體報道的情況是660MW的小巴福電站的跳閘,導致了頻率的急速下跌,而47秒后霍恩熙風電場再次跳閘,導致了頻率的第二次下跌。在660MW發電饋入損失的情況下,電網的頻率為何會發生0.2Hz/s的快速跌落?

英國電力系統在夏季用電負荷為30GW左右時,系統機械慣量在150-200GVA×S左右,如圖6所示。保守估計,斷電事件發生前系統機械慣量至少有120-150GVA×S,按電機搖擺方程計算,如圖5紅色背景框所示,0.2Hz/s的頻率下降速率會導致1G~1.2GW的功率缺失,遠高于660MW小巴福電站的出力。因此,筆者推斷實際情況很可能是小巴福電站部分機組和霍恩熙風電場在相隔很短時間幾乎“同時”跳閘造成了第一次的頻率大跌和較高的頻率變化速率RoCoF。而第二次的頻率下跌,根據現有的分析,很可能是因為小巴福電站機組剩余機組(兩臺燃氣機組)脫網造成,但該推斷仍有待證實。

? 圖6:英不列顛島電力系統夏季機械慣量

重點二:小巴福電站和霍恩熙風電場是否具有相互穩定性影響,導致同時跳閘?

據知情人士透露,此次電站停機,是由于小巴福電站周圍的雷擊造成了1臺汽輪發電機組先跳閘和2臺燃氣輪機的隨后跳閘,進而引起系統頻率振蕩所至。如前所述,假設電氣距離較近的小巴福電站與霍恩熙風電場具有穩定性的強耦合關系,采用交流傳輸方式的霍恩熙離岸風電場會受到陸上電網因小巴福電站跳閘而引起的振蕩的影響。在正常情況下,風電場的設計足以承受這樣的系統振蕩,但據最新的霍恩熙風電場官方披露,霍恩熙風電場出現了“技術性故障”,從而導致了不必要的脫網。事實上,霍恩熙風電場采用的直驅風電機技術,其換流器端口對低頻振蕩在特定頻率點可能存在“負阻尼”效應,不僅不會抑制諧振頻段的振蕩,還會放大振蕩效果,造成電壓發散式震蕩而最終導致風電機脫網,如圖7所示。2015年7月1日在我國新疆哈密就發生過直驅風電場因次同步振蕩而導致切機的事故。相比于與主網直連的哈密風電場,120km長距離海底電纜并網的霍恩熙離岸風電場,由于海底電纜的電容效應,離岸電網電壓將更加不穩定,更容易受到陸上電網電壓振蕩的影響。因此,筆者推斷,霍恩熙風電場的跳閘是因為與主網發生了未知頻段的振蕩,導致保護系統切機。

? 圖7:風電機換流器對電網震蕩的負阻尼效應

重點三:由于英國國家電力調度中心嚴格完善的系統機械慣量管理與保障制度,完全可以應對小巴福電站和霍恩熙風電場同時跳閘情況。為何電網頻率依然會持續下跌至切除負荷的程度?

英國國家電力調度中心在一天不同時段會嚴格預測系統機械慣量,并依據系統慣量的缺乏程度來關停無機械慣量的風電機和直流輸電饋入、開啟同步發電機以增加系統慣量,同時依據即時系統慣量來采購和安排一次頻率響應服務。在一次頻率響應充足的情況下,英國電力系統足以承受660MW+700MW的發電饋入損失,為什么頻率持續下降?

近年來英國大量分布式光伏滿足了千千萬萬家庭的供電。配電網公司為了防止電力孤島發生后分布式光伏仍然持續向配網供電,規定所有分布式光伏電站需配置防孤島RoCoF保護,當配網頻率變化率高于閾值0.125Hz/s時立即動作,使光伏電站停機脫網,保障配電網孤島安全重合。防孤島的設置在分布式光伏裝機較少的情況下不會產生問題,但當大量光伏并入配電網時,輸電網發生主要故障或大量發電損失,高的頻率變化率RoCoF會觸發分布式光伏的防孤島保護而導致大量分布式光伏脫網。英國國家電網公司早就意識到這個問題,在2016年即完成了5MW以上光伏電站防孤島保護觸發閾值的更新,從最初的0.125Hz/s提高到了1Hz/s。然而對于5MW以下的分布式光伏電站,由于其輸出功率較小且數量繁多,還未完全將RoCoF的閾值更新,因此對系統運行存在著不可忽視的安全隱患。

小巴福電站恰好坐落于光伏發電安裝密集的區域,如圖8所示,紅點為小巴福電站位置,綠點為光伏電站的主要安裝區域。小巴福電站的跳閘,勢必會直接引起周圍分布式光伏的跳閘。據筆者對圖4發電數據的分析,事故發生當天至少有2GW以上的分布式光伏在線。且由圖4可見,兩個發電站跳閘產生頻率急速下降的“蝴蝶效應”,造成大量分布式光伏發電跳閘脫網,加重了頻率的持續下降。因此,筆者推斷,系統頻率的持續下降,并不完全由小巴福電站和霍恩熙風電場的跳閘而造成,而是在頻率急速下降的同時,觸發了諸多分布式光伏電站防孤島保護而造成其脫網,致使發電饋入進一步損失而造成的。

? 圖8:英不列顛島光伏電站主要安裝區域(綠點)及小巴福電站位置(紅點)

重點四:為何蘇格蘭地區未發生明顯斷電現象?

英國國家電網公司部署的系統Low-frequency-Demand-Disconnection低頻減載措施,是按照Grid Code電網規程CC.A.5.5.1要求的閾值分階段進行的。當頻率下降至48.8Hz時,英格蘭及威爾士區域(表1中“The Company”)的配電網需自動減載5%的負荷,而蘇格蘭區域(表1中SPT蘇格蘭電力公司和SHETL蘇格蘭及南部電網公司)的配電網無需自動減載。如表1所示,假如頻率繼續下跌至48.6Hz,蘇格蘭區域的SHETL蘇格蘭及南部電網公司擁有的配電網才會減載10%,而蘇格蘭電力公司的配網仍然不減載。因此,2019年8月9日頻率下跌至最低點48.8Hz時,系統只切除了英格蘭及威爾士區域約5%的負荷,而95%剩余負荷得到了保全,因此蘇格蘭地區未受影響。

? 表1:英國電網Low-frequency-Demand-Disconnection低頻減載措施

五、結論

對于英國2019.8.9大斷電事故,本文結合觀測到的數據和獲得的相關信息,提出以下相關推測:

1. 電網第一次頻率下跌是由小巴福電站跳閘和霍恩熙風電場脫網共同造成的,而非僅僅因為一個小巴福電站跳閘;

2. 霍恩熙風電場是因為未知頻段的振蕩,導致保護系統切機而脫網;

3. 系統頻率的持續下降,并不完全由小巴福電站和霍恩熙風電場跳閘而造成,而是在系統頻率急速下降時觸發了諸多分布式光伏電站防孤島保護而導致它們脫網、發電饋入進一步損失而造成的;

4. 此次事故切除了英格蘭及威爾士區域約5%的負荷,而95%剩余負荷得到了保全。

事件中出現的諸多關于風電和光伏控制與保護的問題,值得全球電力工業界專家和學者進一步探討、研究和反思。設計有效的電網規劃和新能源電站新型控制與保護的解決方案,迫在眉睫!

關鍵字:電網安全 斷電

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