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英国大停电事故分析:新能源大量替代传统火电 将导致系统惯量水平下降

北极星电力会展网 来源:PSD 作者:电力系统研究所 2019-08-16 09:24:11

1. 事故概况

当地时间2019年8月9日下午5点左右,英国发生大规模停电事故。大停电起源于英格兰的中东部地区及东北部海域,最终造成英格兰与威尔士大部分地区停电。

(来源:微信公众号“PSD” 作者:电力系统研究所)

本次大停电集中在英格兰与威尔士地区,约有100万人受到停电影响。停电发生后,英国包括伦敦在内的部分重要城市出现地铁与城际火车停运、道路交通信号中断等现象;市民被困在铁路或者地铁中,居民正常生活受到影响;部分医院由于备用电源不足无法进行医事服务。停电发生后约1.5小时,英国国家电网宣布电力基本得到恢复。

这是自2003年“伦敦大停电”以来,英国发生的规模最大、影响人口最多的停电事故。

2. 电网概况

2.1 英国电力系统

截至2016年底,英国电力系统的总装机容量为98GW,其中燃气发电占比最高,达到了46%。1996-2017年间,英国电网中各类电源装机比例变化见图1。近五年来,风力发电与太阳能发电在英国电力结构中的比例快速攀升,而燃煤发电比例逐年下降。

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图 1 1996-2017年各类电源装机比例变化

英国电力系统按地理分布可划为三大系统:英格兰和威尔士系统,苏格兰系统和北爱尔兰系统。其中,英格兰和威尔士输电系统由国家电网公司(National Grids)拥有并经营,本次发生大停电的正是该输电系统。该系统现有大约4474英里长的架空输电线,969英里长的地下电缆线和346座变电站。该系统132kV及以上线路的主网架见图2。

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图 2 英国电网的主网架

2.2 与大停电强相关的设施

本次大停电主要与Little Barford小巴德福燃气电站及Hornsea霍恩海上风电场有关,二者情况介绍如下。

2.2.1 Little Barford小巴德福燃气电站

该电厂是一个联合循环燃气轮机发电厂,位于剑桥郡/贝德福德郡边界的圣奈特南部。小巴德福燃气电站装机容量为740MVA,于1996年开始运营,其电力可足以满足50多万户家庭的用电需求。该厂有两台燃气轮机和一台蒸汽轮机。该电站归德国RWE公司所有。

2.2.2Hornsea Wind Farm霍恩海上风电场

该风电场位于英国北海,目前仍在建设中,计划分四期进行建设。该风电场总装机容量计划约为6000MW,其中一期规划容量1200MW,二、三、四期规划容量依次为1400MW、1000-2000MW、1000MW。建成后将成为世界上最大的海上风电场。

霍恩海上风电场一期工程已于2019年2月开始向英国国家电网供电,预计将于2020年第一季度全面建成。截至2019年5月3日,174台风力发电机中已有28台安装完毕。

3. 事故过程及原因分析

根据英国BBC、英国国家电网公司(National Grids)以及英国电力监管机构(Office of Gas Electricity Markets,Ofgem)披露的信息,本文对该次大停电事故过程进行了梳理。限于资料有限,以下内容可能与事实存在出入,属于推测的内容均予以标注。

3.1 事故过程

3.1.1 事故前电网情况

事故发生前,英格兰与威尔士电网的总负荷约25351MW。位于贝德福德郡的Little Barford小巴德福燃气电站出力730MW,占全网总负荷的2.88%。整个电网内的风电总出力约为8800MW,占全网总负荷的34.71%。霍恩海上风电场出力目前还不能确定,推测约为900MW,占全网负荷的3.55%。

英国电网公司规定系统频率波动范围为49.8Hz到50.2Hz。

3.1.2 事故发展过程

本次事故分为三个阶段,如图3所示。各阶段详细过程介绍如下。

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图 3 事故过程概况(图片来自BBC与英国国家电网公司)

第一阶段,时间16:58,Little Barford小巴德福燃气电站突然停机。由于某种未知的扰动,Little Barford小巴德福燃气电站正确停机。电厂发电机未受损害,但损失了发电730MW。英国电网燃气发电总出力如图4所示。燃气电站停机后,系统频率开始下降。

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图 4 事故第一阶段中燃气发电出力损失730MW(图片来自英国国家电网公司)

第二阶段,时间17:00,霍恩海上风电出力突降。在系统频率出现下降后,霍恩海上风电出力突降900MW左右,如图5所示。本文推测可能其原因可能是风机耐受低频能力不足。在系统频率下降时,风机大量脱网,从而导致风电场出力骤降。

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图 5 事故第二阶段中风力发电出力骤降900MW(图片来自英国国家电网公司)

第三阶段,低频减载动作,切除部分负荷导致停电事故。系统在两分钟之内连续损失燃气发电与风力发电总计1630MW,约占总发电的6.43%。系统频率大幅下降,最低达到48.9Hz,超过了系统允许的频率波动范围。低频减载启动,在全网范围内切除部分负荷,诸多地区出现停电。与此同时,抽蓄电站快速增加出力约1000MW弥补了部分功率缺额,如图6所示,阻止了系统进一步恶化。

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图 6 事故第三阶段中抽蓄机组增加出力(图片来自英国国家电网公司)

在切除了部分负荷以及增加了抽蓄机组出力之后,主网剩余部分得以保全,最终没有出现全网崩溃。

3.2 原因推测

(1)在风电高渗透率条件下,英国电网运行方式疑似不满足N-1校验。事发时,风电渗透率达到了34.71%。本文推测系统中同步机可能开机不足,致使系统惯量大幅降低。在燃气机组发生N-1跳机后,系统频率跌落幅值超过了安全导则的规定,不满足频率稳定要求。

(2)海上风电机组涉网性能疑似不足。在系统遭受N-1跳机事故后,海上风电机组出力骤降,进一步加剧了系统功率缺额,使得频率跌落到了48.9Hz。

(3)系统备用不足。在系统出现接连出现扰动时,系统备用未能及时弥补功率缺额,致使低频减载装置启动,切除了部分负荷。

对高风电渗透率下的电网运行特性(特别是频率响应特性)掌握不够、对电网安全运行裕度考虑不充分,是本次事故的间接原因。

3.3 启示

(1)加强含高比例新能源电网的频率特性研究。新能源大量替代同步机后,将导致系统惯量水平下降,恶化频率响应特性,削弱系统抵御功率差额的能力。应当深入研究含高比例新能源电网受扰后频率响应的时空分布特性,并校核其扰动是否会触发其他设备二次脱网。

(2)确保风电机组涉网性能达标。在系统出现频率/电压扰动之后,霍恩海上风电机组出力骤降导致系统频率进一步恶化。在风电大发期间,风电机组耐受异常电压/频率的能力会极大影响电网在故障期间的频率特性。为了防止故障期间风电机组脱网及出力骤降导致事故扩大,应该核查风电机组涉网性能,加快性能改造和检测认证。

(3)加强对抽蓄机组的管理。在本次大停电中,抽蓄机组及时增加出力,阻止了事故进一步扩大。抽蓄机组是电网“三道防线”的重要组成部分,必须严格管理,确保其合理配置及正确动作。

4. 总结

2019年8月9日下午17点,英国英格兰与威尔士地区发生大规模停电事故。事故直接起因是燃气机组与海上风电机组连续跳机导致系统出现较大功率缺额。系统频率大幅下降触发了低频减载装置,最终致使部分地区出现停电。

本报告对英国“8·9”大停电事故情况进行了概述、并结合电网结构进行了初步事故原因分析。由于资料有限,推断分析可能与实际情况有所出入,后续会对事故原因不断跟踪。

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