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英国2019.8.9大断电事故全析

作者:朱介北 洪启腾 来源:全球能源互联网期刊 发布时间:2019-08-18 浏览:
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本次大断电事故虽然只切除了英格兰及威尔士区域约5%负荷,体现出已有技术管理措施对防控大电网连锁故障的有效性,但仍暴露出高比例可再生能源电网安全稳定运行面临的多方面隐患。两位作者在英国电力界工作多年,结合观测到的有限数据和相关信息,提出相关推测。

英国2019.8.9大断电事故全析


⬆ 图1:英国大断电造成的交通瘫痪

英国当地时间2019年8月9日16时54分左右,英格兰及威尔士地区发生大规模停电事故,波及范围达一百万人以上。停电事故造成部分铁路和公路设施瘫痪,对居民生活、工业生产和社会活动产生极其严重的影响。作为不列颠岛唯一的调度中心,英国国家电网公司当晚声明:“今晚我们遭受了非常意外的和不常见的断电事件,两座发电站同时跳闸,导致系统频率大幅下跌。”“虽然跳闸事件我们无法控制,但通过切除一部分用电负荷措施,我们保障了大电网的运行。”电力供应在事件发生一个半小时之后全部恢复。此次停电,与2008年英国发生的大断电极其相似:2008年5月27日,4台发电机恰巧同时跳闸,损失出力共计1993MW,致使大量电力用户受到影响,系统的低频自动卸荷系统切除了部分负载,使电网运行稳定性逐渐恢复,全过程共持续三分半钟。

⬆ 图2:英国电力系统的运转中枢-英国国家电网电力调度中心

一、英国电力系统概况

截止2018年底,英国的发电总装机容量约为80GW。燃煤发电在政府的高二氧化碳排放税限制下逐渐关停,以风电为首的新能源发电在Renewable Obligation 和Contract for Difference等新能源鼓励政策的驱动下发展迅速。2017年4月21日英国首次实现了工业革命以来的24小时零煤炭发电,这标志着英国在新能源发展和降低工业二氧化碳排放方面迈入了崭新的领域。英国国家电网公司也在今年四月提出在2025年实现电网"零碳"运行的目标。然而,新能源快速发展所带来的系统稳定性问题,也为电网安稳运行埋下了潜在的隐患。

英国的输电网电压等级为400 kV和275 kV(苏格兰地区132 kV也属于输电网),拥有超过23000 km的架空线和1500 km的电缆,变电站700余座,主变压器1200余台。配电网主要电压等级为132 kV(英格兰及威尔士),66 kV,33 kV,11 kV和400 V,城市配电线路以电缆为主。英国不列颠岛目前有4条国际直流互联网线路和1条嵌入式高压直流线路。2条国际直流线路分别连接爱尔兰(EWIC, 容量500 MW)和北爱尔兰(Moyle,容量500 MW),1条连接法国(IFA,容量2000 MW),其余1条连接荷兰(BritNed,容量1000 MW)。2017年投运的嵌入式高压直流线路(Western Link,容量2400 MW)连接苏格兰西部海岸与英格兰西北部海岸,保障了苏格兰大量风力发电向英格兰用电中心的馈入。

二、停电事故相关的小巴福天然气电站与霍恩熙风电场

本次大停电,主要与两个大型发电厂相关:Little Barford小巴福天然气发电站和Horsea Offshore霍恩熙离岸风电场。小巴福电站采用联合燃气轮机发电技术,装机容量为724MW,由2台通用电气制造的220MW燃气轮发电机组和1台前阿尔斯通公司制造的265MW汽轮发电机组成,并网点为伦敦北部剑桥郡额定电压400kV的EstonSocon变电站。霍恩熙风电场位于北海近不列颠岛海域,目前装机容量为1200MW,由174台西门子制造的7WM Gamesa风电机构成,通过额定电压为220kV的120km海底交流电缆并网,并网点为林肯郡额定电压400kV的Killingholme变电站。霍恩熙风电场的建设分期进行,预计2020年完全建成后最大容量达6GW,将成为世界上最大的离岸风电场。

苏格兰地区负荷少而风电水电丰富,为了满足主要负荷中心伦敦的电力需求,苏格兰过剩的发电经自北向南的输电网走廊输送至伦敦,这决定了英国为应对由北向南主要潮流走向的电网规划格局。从下图所示两个跳闸发电厂的并网变电站位置可以看出,位于上游的霍恩熙风电场和下游的小巴福发电站仅通过一条双回路400kV高架线互联,没有其他电网参与互联,二者电气距离并不远。进而造成二者间同步耦合强度较大,易产生相互作用。

⬆ 图3:英国电网发生故障的小巴福燃气电站与霍恩熙风电场的电气位置

三、2019.8.9大断电事故始末

如下图所示,事故发生前,英不列颠岛电力系统的总负荷约为33GW,发电即时出力占比为:25%天然气发电(8.4GW),19%核能发电(6.2GW),5%生物质发电(1.6GW),2%燃煤发电(0.5GW),7%来自欧洲的高压直流送电(2.3GW),27%风力发电(8.9GW),13%分布式风电和光伏发电(4.4GW)。值得注意的是,因缺乏旋转机械惯量和无功输出能力而对系统稳定性支持较弱的电力电子并网型非同步电源(包括高压直流送电、风电和光伏)占比为47%,接近系统发电出力的一半。由于非同步发电相较同步电机存在无功能力弱、故障电流小、机械惯量缺乏等缺点,事件发生时的英国电网应被认为是一个稳定性较弱的电力系统。

⬆ 图4:2018年8月9日英国全网负荷与发电类型

本次事故发生于当地时间16时54分,小巴福燃气电站(约660MW)与霍恩熙风电场(约700MW)在短时间内先后突然跳闸,导致超过1.3GW的发电馈入损失。实际测量到的系统频率变化如图5所示。系统频率以接近0.2Hz/s的RoCoF(Rate of Change of Frequency)变化速率陡然下跌,28秒后被调度中心预先部署的一次频率响应服务所牵制,暂时稳定在49.1Hz,随即又下降至48.8Hz。48.8Hz是英格兰及威尔士6大配电网公司启动自动低频减载的阈值,配电网公司中约5%的负荷被自动切除后,系统用电和发电趋于平衡,频率开始回升,4分45秒后频率首次恢复至额定值50Hz。出于后续供电安全的考虑,调度操作员启动了更多的发电机组,频率在相当长一段时间内运行在50.2Hz左右。

⬆ 图5:事故前后系统实际频率测量曲线

四、原因何在?

依据英国国家电网公司在官方披露的信息,以及作者在英国电力工业界的多年工作经验,并结合知情人士提供的相关信息,本文对这次大停电事故进行梳理和分析。英国电监会OFGEM要求英国国家电网公司进行详细调查。8月16日,英国国家电网宣布初步调查报告已经提交至OFGEM,并且将于近期发布。由于目前信息仍十分有限,所述原因仅是笔者推断,有可能与真实情况存在偏差。

重点一:先前媒体报道的情况是660MW的小巴福电站的跳闸,导致了频率的急速下跌,而47秒后霍恩熙风电场再次跳闸,导致了频率的第二次下跌。在660MW发电馈入损失的情况下,电网的频率为何会发生0.2Hz/s的快速跌落?

英国电力系统在夏季用电负荷为30GW左右时,系统机械惯量在150-200GVA×S左右,如图6所示。保守估计,断电事件发生前系统机械惯量至少有120-150GVA×S,按电机摇摆方程计算,如图5红色背景框所示,0.2Hz/s的频率下降速率会导致1G~1.2GW的功率缺失,远高于660MW小巴福电站的出力。因此,笔者推断实际情况很可能是小巴福电站部分机组和霍恩熙风电场在相隔很短时间几乎“同时”跳闸造成了第一次的频率大跌和较高的频率变化速率RoCoF。而第二次的频率下跌,根据现有的分析,很可能是因为小巴福电站机组剩余机组(两台燃气机组)脱网造成,但该推断仍有待证实。

⬆ 图6:英不列颠岛电力系统夏季机械惯量

重点二:小巴福电站和霍恩熙风电场是否具有相互稳定性影响,导致同时跳闸?

据知情人士透露,此次电站停机,是由于小巴福电站周围的雷击造成了1台汽轮发电机组先跳闸和2台燃气轮机的随后跳闸,进而引起系统频率振荡所至。如前所述,假设电气距离较近的小巴福电站与霍恩熙风电场具有稳定性的强耦合关系,采用交流传输方式的霍恩熙离岸风电场会受到陆上电网因小巴福电站跳闸而引起的振荡的影响。在正常情况下,风电场的设计足以承受这样的系统振荡,但据最新的霍恩熙风电场官方披露,霍恩熙风电场出现了“技术性故障”,从而导致了不必要的脱网。事实上,霍恩熙风电场采用的直驱风电机技术,其换流器端口对低频振荡在特定频率点可能存在“负阻尼”效应,不仅不会抑制谐振频段的振荡,还会放大振荡效果,造成电压发散式震荡而最终导致风电机脱网,如图7所示。2015年7月1日在我国新疆哈密就发生过直驱风电场因次同步振荡而导致切机的事故。相比于与主网直连的哈密风电场,120km长距离海底电缆并网的霍恩熙离岸风电场,由于海底电缆的电容效应,离岸电网电压将更加不稳定,更容易受到陆上电网电压振荡的影响。因此,笔者推断,霍恩熙风电场的跳闸是因为与主网发生了未知频段的振荡,导致保护系统切机。

⬆ 图7:风电机换流器对电网震荡的负阻尼效应

重点三:由于英国国家电力调度中心严格完善的系统机械惯量管理与保障制度,完全可以应对小巴福电站和霍恩熙风电场同时跳闸情况。为何电网频率依然会持续下跌至切除负荷的程度?

英国国家电力调度中心在一天不同时段会严格预测系统机械惯量,并依据系统惯量的缺乏程度来关停无机械惯量的风电机和直流输电馈入、开启同步发电机以增加系统惯量,同时依据即时系统惯量来采购和安排一次频率响应服务。在一次频率响应充足的情况下,英国电力系统足以承受660MW+700MW的发电馈入损失,为什么频率持续下降?

近年来英国大量分布式光伏满足了千千万万家庭的供电。配电网公司为了防止电力孤岛发生后分布式光伏仍然持续向配网供电,规定所有分布式光伏电站需配置防孤岛RoCoF保护,当配网频率变化率高于阈值0.125Hz/s时立即动作,使光伏电站停机脱网,保障配电网孤岛安全重合。防孤岛的设置在分布式光伏装机较少的情况下不会产生问题,但当大量光伏并入配电网时,输电网发生主要故障或大量发电损失,高的频率变化率RoCoF会触发分布式光伏的防孤岛保护而导致大量分布式光伏脱网。英国国家电网公司早就意识到这个问题,在2016年即完成了5MW以上光伏电站防孤岛保护触发阈值的更新,从最初的0.125Hz/s提高到了1Hz/s。然而对于5MW以下的分布式光伏电站,由于其输出功率较小且数量繁多,还未完全将RoCoF的阈值更新,因此对系统运行存在着不可忽视的安全隐患。

小巴福电站恰好坐落于光伏发电安装密集的区域,如图8所示,红点为小巴福电站位置,绿点为光伏电站的主要安装区域。小巴福电站的跳闸,势必会直接引起周围分布式光伏的跳闸。据笔者对图4发电数据的分析,事故发生当天至少有2GW以上的分布式光伏在线。且由图4可见,两个发电站跳闸产生频率急速下降的“蝴蝶效应”,造成大量分布式光伏发电跳闸脱网,加重了频率的持续下降。因此,笔者推断,系统频率的持续下降,并不完全由小巴福电站和霍恩熙风电场的跳闸而造成,而是在频率急速下降的同时,触发了诸多分布式光伏电站防孤岛保护而造成其脱网,致使发电馈入进一步损失而造成的。

⬆ 图8:英不列颠岛光伏电站主要安装区域(绿点)及小巴福电站位置(红点)

重点四:为何苏格兰地区未发生明显断电现象?

英国国家电网公司部署的系统Low-frequency-Demand-Disconnection低频减载措施,是按照Grid Code电网规程CC.A.5.5.1要求的阈值分阶段进行的。当频率下降至48.8Hz时,英格兰及威尔士区域(表1中“The Company”)的配电网需自动减载5%的负荷,而苏格兰区域(表1中SPT苏格兰电力公司和SHETL苏格兰及南部电网公司)的配电网无需自动减载。如表1所示,假如频率继续下跌至48.6Hz,苏格兰区域的SHETL苏格兰及南部电网公司拥有的配电网才会减载10%,而苏格兰电力公司的配网仍然不减载。因此,2019年8月9日频率下跌至最低点48.8Hz时,系统只切除了英格兰及威尔士区域约5%的负荷,而95%剩余负荷得到了保全,因此苏格兰地区未受影响。

⬇ 表1:英国电网Low-frequency-Demand-Disconnection低频减载措施

五、结论

对于英国2019.8.9大断电事故,本文结合观测到的数据和获得的相关信息,提出以下相关推测:

1. 电网第一次频率下跌是由小巴福电站跳闸和霍恩熙风电场脱网共同造成的,而非仅仅因为一个小巴福电站跳闸;

2. 霍恩熙风电场是因为未知频段的振荡,导致保护系统切机而脱网;

3. 系统频率的持续下降,并不完全由小巴福电站和霍恩熙风电场跳闸而造成,而是在系统频率急速下降时触发了诸多分布式光伏电站防孤岛保护而导致它们脱网、发电馈入进一步损失而造成的;

4. 此次事故切除了英格兰及威尔士区域约5%的负荷,而95%剩余负荷得到了保全。

事件中出现的诸多关于风电和光伏控制与保护的问题,值得全球电力工业界专家和学者进一步探讨、研究和反思。设计有效的电网规划和新能源电站新型控制与保护的解决方案,迫在眉睫!

关键字:电网安全 断电

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