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朱介北 洪启腾 来源:全球能源互联网 编辑:jianping 电力大断电

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


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


 

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