本次大斷電事故雖然只切除了英格蘭及威爾士區(qū)域約5%負(fù)荷，體現(xiàn)出已有技術(shù)管理措施對(duì)防控大電網(wǎng)連鎖故障的有效性，但仍暴露出高比例可再生能源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨的多方面隱患。兩位作者在英國(guó)電力界工作多年，結(jié)合觀測(cè)到的有限數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，提出相關(guān)推測(cè)。
英國(guó)2019.8.9大斷電事故全析
? 圖1：英國(guó)大斷電造成的交通癱瘓
英國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年8月9日16時(shí)54分左右，英格蘭及威爾士地區(qū)發(fā)生大規(guī)模停電事故，波及范圍達(dá)一百萬(wàn)人以上。停電事故造成部分鐵路和公路設(shè)施癱瘓，對(duì)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響。作為不列顛島唯一的調(diào)度中心，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司當(dāng)晚聲明：“今晚我們?cè)馐芰朔浅Ｒ馔獾暮筒怀Ｒ姷臄嚯娛录?，兩座發(fā)電站同時(shí)跳閘，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅下跌。”“雖然跳閘事件我們無(wú)法控制，但通過(guò)切除一部分用電負(fù)荷措施，我們保障了大電網(wǎng)的運(yùn)行?！彪娏?yīng)在事件發(fā)生一個(gè)半小時(shí)之后全部恢復(fù)。此次停電，與2008年英國(guó)發(fā)生的大斷電極其相似：2008年5月27日，4臺(tái)發(fā)電機(jī)恰巧同時(shí)跳閘，損失出力共計(jì)1993MW，致使大量電力用戶受到影響，系統(tǒng)的低頻自動(dòng)卸荷系統(tǒng)切除了部分負(fù)載，使電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸恢復(fù)，全過(guò)程共持續(xù)三分半鐘。
? 圖2：英國(guó)電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中樞-英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)電力調(diào)度中心
一、英國(guó)電力系統(tǒng)概況
截止2018年底，英國(guó)的發(fā)電總裝機(jī)容量約為80GW。燃煤發(fā)電在政府的高二氧化碳排放稅限制下逐漸關(guān)停，以風(fēng)電為首的新能源發(fā)電在Renewable Obligation 和Contract for Difference等新能源鼓勵(lì)政策的驅(qū)動(dòng)下發(fā)展迅速。2017年4月21日英國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了工業(yè)革命以來(lái)的24小時(shí)零煤炭發(fā)電，這標(biāo)志著英國(guó)在新能源發(fā)展和降低工業(yè)二氧化碳排放方面邁入了嶄新的領(lǐng)域。英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司也在今年四月提出在2025年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)"零碳"運(yùn)行的目標(biāo)。然而，新能源快速發(fā)展所帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，也為電網(wǎng)安穩(wěn)運(yùn)行埋下了潛在的隱患。
英國(guó)的輸電網(wǎng)電壓等級(jí)為400 kV和275 kV（蘇格蘭地區(qū)132 kV也屬于輸電網(wǎng)），擁有超過(guò)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(tái)。配電網(wǎng)主要電壓等級(jí)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(guó)不列顛島目前有4條國(guó)際直流互聯(lián)網(wǎng)線路和1條嵌入式高壓直流線路。2條國(guó)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(guó)（IFA，容量2000 MW），其余1條連接荷蘭（BritNed，容量1000 MW）。2017年投運(yùn)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(fēng)力發(fā)電向英格蘭用電中心的饋入。
二、停電事故相關(guān)的小巴福天然氣電站與霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)
本次大停電，主要與兩個(gè)大型發(fā)電廠相關(guān)：Little Barford小巴福天然氣發(fā)電站和Horsea Offshore霍恩熙離岸風(fēng)電場(chǎng)。小巴福電站采用聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，裝機(jī)容量為724MW，由2臺(tái)通用電氣制造的220MW燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組和1臺(tái)前阿爾斯通公司制造的265MW汽輪發(fā)電機(jī)組成，并網(wǎng)點(diǎn)為倫敦北部劍橋郡額定電壓400kV的EstonSocon變電站?；舳魑躏L(fēng)電場(chǎng)位于北海近不列顛島海域，目前裝機(jī)容量為1200MW，由174臺(tái)西門子制造的7WM Gamesa風(fēng)電機(jī)構(gòu)成，通過(guò)額定電壓為220kV的120km海底交流電纜并網(wǎng)，并網(wǎng)點(diǎn)為林肯郡額定電壓400kV的Killingholme變電站?；舳魑躏L(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)分期進(jìn)行，預(yù)計(jì)2020年完全建成后最大容量達(dá)6GW，將成為世界上最大的離岸風(fēng)電場(chǎng)。
蘇格蘭地區(qū)負(fù)荷少而風(fēng)電水電豐富，為了滿足主要負(fù)荷中心倫敦的電力需求，蘇格蘭過(guò)剩的發(fā)電經(jīng)自北向南的輸電網(wǎng)走廊輸送至倫敦，這決定了英國(guó)為應(yīng)對(duì)由北向南主要潮流走向的電網(wǎng)規(guī)劃格局。從下圖所示兩個(gè)跳閘發(fā)電廠的并網(wǎng)變電站位置可以看出，位于上游的霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)和下游的小巴福發(fā)電站僅通過(guò)一條雙回路400kV高架線互聯(lián)，沒(méi)有其他電網(wǎng)參與互聯(lián)，二者電氣距離并不遠(yuǎn)。進(jìn)而造成二者間同步耦合強(qiáng)度較大，易產(chǎn)生相互作用。
? 圖3：英國(guó)電網(wǎng)發(fā)生故障的小巴福燃?xì)怆娬九c霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)的電氣位置
三、2019.8.9大斷電事故始末
如下圖所示，事故發(fā)生前，英不列顛島電力系統(tǒng)的總負(fù)荷約為33GW，發(fā)電即時(shí)出力占比為：25%天然氣發(fā)電（8.4GW），19%核能發(fā)電（6.2GW），5%生物質(zhì)發(fā)電（1.6GW），2%燃煤發(fā)電（0.5GW），7%來(lái)自歐洲的高壓直流送電（2.3GW），27%風(fēng)力發(fā)電（8.9GW），13%分布式風(fēng)電和光伏發(fā)電（4.4GW）。值得注意的是，因缺乏旋轉(zhuǎn)機(jī)械慣量和無(wú)功輸出能力而對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性支持較弱的電力電子并網(wǎng)型非同步電源（包括高壓直流送電、風(fēng)電和光伏）占比為47%，接近系統(tǒng)發(fā)電出力的一半。由于非同步發(fā)電相較同步電機(jī)存在無(wú)功能力弱、故障電流小、機(jī)械慣量缺乏等缺點(diǎn)，事件發(fā)生時(shí)的英國(guó)電網(wǎng)應(yīng)被認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)定性較弱的電力系統(tǒng)。
? 圖4：2018年8月9日英國(guó)全網(wǎng)負(fù)荷與發(fā)電類型
本次事故發(fā)生于當(dāng)?shù)貢r(shí)間16時(shí)54分，小巴福燃?xì)怆娬荆s660MW）與霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)（約700MW）在短時(shí)間內(nèi)先后突然跳閘，導(dǎo)致超過(guò)1.3GW的發(fā)電饋入損失。實(shí)際測(cè)量到的系統(tǒng)頻率變化如圖5所示。系統(tǒng)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(diào)度中心預(yù)先部署的一次頻率響應(yīng)服務(wù)所牽制，暫時(shí)穩(wěn)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(wǎng)公司啟動(dòng)自動(dòng)低頻減載的閾值，配電網(wǎng)公司中約5%的負(fù)荷被自動(dòng)切除后，系統(tǒng)用電和發(fā)電趨于平衡，頻率開始回升，4分45秒后頻率首次恢復(fù)至額定值50Hz。出于后續(xù)供電安全的考慮，調(diào)度操作員啟動(dòng)了更多的發(fā)電機(jī)組，頻率在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行在50.2Hz左右。
? 圖5：事故前后系統(tǒng)實(shí)際頻率測(cè)量曲線
四、原因何在？
依據(jù)英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司在官方披露的信息，以及作者在英國(guó)電力工業(yè)界的多年工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合知情人士提供的相關(guān)信息，本文對(duì)這次大停電事故進(jìn)行梳理和分析。英國(guó)電監(jiān)會(huì)OFGEM要求英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。8月16日，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)宣布初步調(diào)查報(bào)告已經(jīng)提交至OFGEM，并且將于近期發(fā)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(shí)情況存在偏差。
重點(diǎn)一：先前媒體報(bào)道的情況是660MW的小巴福電站的跳閘，導(dǎo)致了頻率的急速下跌，而47秒后霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)再次跳閘，導(dǎo)致了頻率的第二次下跌。在660MW發(fā)電饋入損失的情況下，電網(wǎng)的頻率為何會(huì)發(fā)生0.2Hz/s的快速跌落？
英國(guó)電力系統(tǒng)在夏季用電負(fù)荷為30GW左右時(shí)，系統(tǒng)機(jī)械慣量在150-200GVA×S左右，如圖6所示。保守估計(jì)，斷電事件發(fā)生前系統(tǒng)機(jī)械慣量至少有120-150GVA×S，按電機(jī)搖擺方程計(jì)算，如圖5紅色背景框所示，0.2Hz/s的頻率下降速率會(huì)導(dǎo)致1G~1.2GW的功率缺失，遠(yuǎn)高于660MW小巴福電站的出力。因此，筆者推斷實(shí)際情況很可能是小巴福電站部分機(jī)組和霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)在相隔很短時(shí)間幾乎“同時(shí)”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(jù)現(xiàn)有的分析，很可能是因?yàn)樾“透ｋ娬緳C(jī)組剩余機(jī)組（兩臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組）脫網(wǎng)造成，但該推斷仍有待證實(shí)。
? 圖6：英不列顛島電力系統(tǒng)夏季機(jī)械慣量
重點(diǎn)二：小巴福電站和霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)是否具有相互穩(wěn)定性影響，導(dǎo)致同時(shí)跳閘？
據(jù)知情人士透露，此次電站停機(jī)，是由于小巴福電站周圍的雷擊造成了1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組先跳閘和2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的隨后跳閘，進(jìn)而引起系統(tǒng)頻率振蕩所至。如前所述，假設(shè)電氣距離較近的小巴福電站與霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)具有穩(wěn)定性的強(qiáng)耦合關(guān)系，采用交流傳輸方式的霍恩熙離岸風(fēng)電場(chǎng)會(huì)受到陸上電網(wǎng)因小巴福電站跳閘而引起的振蕩的影響。在正常情況下，風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)足以承受這樣的系統(tǒng)振蕩，但據(jù)最新的霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)官方披露，霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)了“技術(shù)性故障”，從而導(dǎo)致了不必要的脫網(wǎng)。事實(shí)上，霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)采用的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)技術(shù)，其換流器端口對(duì)低頻振蕩在特定頻率點(diǎn)可能存在“負(fù)阻尼”效應(yīng)，不僅不會(huì)抑制諧振頻段的振蕩，還會(huì)放大振蕩效果，造成電壓發(fā)散式震蕩而最終導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)脫網(wǎng)，如圖7所示。2015年7月1日在我國(guó)新疆哈密就發(fā)生過(guò)直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)因次同步振蕩而導(dǎo)致切機(jī)的事故。相比于與主網(wǎng)直連的哈密風(fēng)電場(chǎng)，120km長(zhǎng)距離海底電纜并網(wǎng)的霍恩熙離岸風(fēng)電場(chǎng)，由于海底電纜的電容效應(yīng)，離岸電網(wǎng)電壓將更加不穩(wěn)定，更容易受到陸上電網(wǎng)電壓振蕩的影響。因此，筆者推斷，霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)的跳閘是因?yàn)榕c主網(wǎng)發(fā)生了未知頻段的振蕩，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)切機(jī)。
? 圖7：風(fēng)電機(jī)換流器對(duì)電網(wǎng)震蕩的負(fù)阻尼效應(yīng)
重點(diǎn)三：由于英國(guó)國(guó)家電力調(diào)度中心嚴(yán)格完善的系統(tǒng)機(jī)械慣量管理與保障制度，完全可以應(yīng)對(duì)小巴福電站和霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)跳閘情況。為何電網(wǎng)頻率依然會(huì)持續(xù)下跌至切除負(fù)荷的程度？
英國(guó)國(guó)家電力調(diào)度中心在一天不同時(shí)段會(huì)嚴(yán)格預(yù)測(cè)系統(tǒng)機(jī)械慣量，并依據(jù)系統(tǒng)慣量的缺乏程度來(lái)關(guān)停無(wú)機(jī)械慣量的風(fēng)電機(jī)和直流輸電饋入、開啟同步發(fā)電機(jī)以增加系統(tǒng)慣量，同時(shí)依據(jù)即時(shí)系統(tǒng)慣量來(lái)采購(gòu)和安排一次頻率響應(yīng)服務(wù)。在一次頻率響應(yīng)充足的情況下，英國(guó)電力系統(tǒng)足以承受660MW+700MW的發(fā)電饋入損失，為什么頻率持續(xù)下降？
近年來(lái)英國(guó)大量分布式光伏滿足了千千萬(wàn)萬(wàn)家庭的供電。配電網(wǎng)公司為了防止電力孤島發(fā)生后分布式光伏仍然持續(xù)向配網(wǎng)供電，規(guī)定所有分布式光伏電站需配置防孤島RoCoF保護(hù)，當(dāng)配網(wǎng)頻率變化率高于閾值0.125Hz/s時(shí)立即動(dòng)作，使光伏電站停機(jī)脫網(wǎng)，保障配電網(wǎng)孤島安全重合。防孤島的設(shè)置在分布式光伏裝機(jī)較少的情況下不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但當(dāng)大量光伏并入配電網(wǎng)時(shí)，輸電網(wǎng)發(fā)生主要故障或大量發(fā)電損失，高的頻率變化率RoCoF會(huì)觸發(fā)分布式光伏的防孤島保護(hù)而導(dǎo)致大量分布式光伏脫網(wǎng)。英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司早就意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，在2016年即完成了5MW以上光伏電站防孤島保護(hù)觸發(fā)閾值的更新，從最初的0.125Hz/s提高到了1Hz/s。然而對(duì)于5MW以下的分布式光伏電站，由于其輸出功率較小且數(shù)量繁多，還未完全將RoCoF的閾值更新，因此對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(fā)電安裝密集的區(qū)域，如圖8所示，紅點(diǎn)為小巴福電站位置，綠點(diǎn)為光伏電站的主要安裝區(qū)域。小巴福電站的跳閘，勢(shì)必會(huì)直接引起周圍分布式光伏的跳閘。據(jù)筆者對(duì)圖4發(fā)電數(shù)據(jù)的分析，事故發(fā)生當(dāng)天至少有2GW以上的分布式光伏在線。且由圖4可見，兩個(gè)發(fā)電站跳閘產(chǎn)生頻率急速下降的“蝴蝶效應(yīng)”，造成大量分布式光伏發(fā)電跳閘脫網(wǎng)，加重了頻率的持續(xù)下降。因此，筆者推斷，系統(tǒng)頻率的持續(xù)下降，并不完全由小巴福電站和霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)的跳閘而造成，而是在頻率急速下降的同時(shí)，觸發(fā)了諸多分布式光伏電站防孤島保護(hù)而造成其脫網(wǎng)，致使發(fā)電饋入進(jìn)一步損失而造成的。
? 圖8：英不列顛島光伏電站主要安裝區(qū)域（綠點(diǎn)）及小巴福電站位置（紅點(diǎn)）
重點(diǎn)四：為何蘇格蘭地區(qū)未發(fā)生明顯斷電現(xiàn)象？
英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司部署的系統(tǒng)Low-frequency-Demand-Disconnection低頻減載措施，是按照Grid Code電網(wǎng)規(guī)程CC.A.5.5.1要求的閾值分階段進(jìn)行的。當(dāng)頻率下降至48.8Hz時(shí)，英格蘭及威爾士區(qū)域（表1中“The Company”）的配電網(wǎng)需自動(dòng)減載5%的負(fù)荷，而蘇格蘭區(qū)域（表1中SPT蘇格蘭電力公司和SHETL蘇格蘭及南部電網(wǎng)公司）的配電網(wǎng)無(wú)需自動(dòng)減載。如表1所示，假如頻率繼續(xù)下跌至48.6Hz，蘇格蘭區(qū)域的SHETL蘇格蘭及南部電網(wǎng)公司擁有的配電網(wǎng)才會(huì)減載10%，而蘇格蘭電力公司的配網(wǎng)仍然不減載。因此，2019年8月9日頻率下跌至最低點(diǎn)48.8Hz時(shí)，系統(tǒng)只切除了英格蘭及威爾士區(qū)域約5%的負(fù)荷，而95%剩余負(fù)荷得到了保全，因此蘇格蘭地區(qū)未受影響。
? 表1：英國(guó)電網(wǎng)Low-frequency-Demand-Disconnection低頻減載措施
五、結(jié)論
對(duì)于英國(guó)2019.8.9大斷電事故，本文結(jié)合觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和獲得的相關(guān)信息，提出以下相關(guān)推測(cè)：
1. 電網(wǎng)第一次頻率下跌是由小巴福電站跳閘和霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)脫網(wǎng)共同造成的，而非僅僅因?yàn)橐粋€(gè)小巴福電站跳閘；
2. 霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)是因?yàn)槲粗l段的振蕩，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)切機(jī)而脫網(wǎng)；
3. 系統(tǒng)頻率的持續(xù)下降，并不完全由小巴福電站和霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)跳閘而造成，而是在系統(tǒng)頻率急速下降時(shí)觸發(fā)了諸多分布式光伏電站防孤島保護(hù)而導(dǎo)致它們脫網(wǎng)、發(fā)電饋入進(jìn)一步損失而造成的；
4. 此次事故切除了英格蘭及威爾士區(qū)域約5%的負(fù)荷，而95%剩余負(fù)荷得到了保全。
事件中出現(xiàn)的諸多關(guān)于風(fēng)電和光伏控制與保護(hù)的問(wèn)題，值得全球電力工業(yè)界專家和學(xué)者進(jìn)一步探討、研究和反思。設(shè)計(jì)有效的電網(wǎng)規(guī)劃和新能源電站新型控制與保護(hù)的解決方案，迫在眉睫！
