未来人的预言实在太准!在英国真的发生了

绿色带路人的心底话


Photo by NASA on Unsplash

  西元1879年爱迪生将白炽灯泡商业化后,为了将灯泡普及到成千上万的家庭和企业,于是在纽约曼哈顿珍珠街站兴建了全美第一座发电厂,使用六台(共670kW)直流发电机,成功提供近60户共一千多盏灯所需要的电力,自此带动全球电力系统的发展。

  九年后的1888年,台湾省首任巡抚刘铭传也引进全台湾第一台小型蒸气燃煤发电机,于台北城内装设电灯照明系统,在丹麦电气技师的协助下,点亮台湾第一盏电灯,开启台湾迈入现代化电力的便利生活。

  一百三十多年后的今天,电力已经不只是为了点亮灯泡而已,它完全改变了人类的生活方式,而且这个改变仍在扩大;随著可再生能源的迅速发展,在风能和太阳能高占比的电力系统中,因为其发电的间歇性、不易预测性,对电力系统和电力调度更是极大的挑战,为了保证电力系统的稳定运转,电力系统的灵活性和弹性变得空前重要。

  我想带你从一个2019年英国发生的案例,来看看目前各国电力公司面对的巨大挑战,之前文章《未来人的预言:2025年大年初二将发生这件事》谈的并不是瞎扯,在电力系统发生事故时,如何在关键的90秒透过多元弹性的电力辅助服务,帮助提升电力系统提升的可靠度与韧性,避免更大范围和更长时间的大停电,已经成了当务之急。

  英国电力供电来源的结构目前为:风力10.7%,天然气46%,核能21.2%,生质能6%,太阳能5%,水力发电 1.1%,剩下9.9%则由跨国电网提供。英国无论在能源转型和电力市场均走在世界的前沿,亦能维持不错的电力系统可靠度,可靠度指标(SAIDI/SAIFI)和台电相近,因此,英国大停电的经验也可以提供我们学习和参考。

2019年英国大停电

  2019年8月9日接近英国当地时间傍晚五点前,当时适逢周五交通最繁忙的时段,英格兰和威尔斯两地区发生十年罕见的大范围停电事件。大约有六十多班车次的地铁和铁路被迫停驶,机场、车站和交通运输因此瘫痪。伦敦最繁忙的尤斯顿(Euston)和国王十字(Kings Cross)车站也不得不被迫紧急关闭,造成大量旅客滞留,影响近百万人。15分钟后,电力才开始陆续恢复,45分钟后大部分的供电才恢复正常,但停电所引起的混乱状况一直持续到深夜才得以舒缓,而且还有部分电力一直到一周过后才彻底修复。这是自2003年「伦敦大停电」后,英国所发生规模最大的停电事故,造成巨大的经济损失。


(图一)2019年英国大停电五分钟电网频率记录图 。英国电网频率需维持在50Hz±1%,关于什么是频率,可以参见《韩国瑜的养生逻辑搞懂为什么我们对能源的「创新思维」常常行不通》一文说明
资料来源: https://www.ofgem.gov.uk/system/files/docs/2019/09/eso_technical_report_-_final.pdf#page=14

  调查报告中指出,此次大停电的起因是由于三个(多重)非常规偶发事故几乎同时发生,导致电网频率快速下降,造成数台机组跳机解联,多重事故累积的出力损失,超过英国供电可靠度标准(SQSS)所能抵御的最严重事故状况。倘若这次没有灵活弹性可供调度的调频资源,包括快速型需量反应及大型储能系统来补足短期电力系统的电力供给不足,且让电网频率提升到标准值,此次恢复供电所需要的时间一定会更久,停电范围也有可能更大。

重要时间点一:雷击击中某个400kV超高压输电电塔

  英国电力系统可分为三大系统,英格兰和威尔斯、苏格兰和北爱尔兰系统。事故当天英国气象局发布气象最低警戒的「黄色警示」,当时电力系统约有30%供电来自于风能,30%来自天然气,22%来自于核能,9%来自欧洲跨国电网,其他来自生质能、水力和燃煤所提供,发电状况和每年同一时期没有不同,符合原来的发电量预测。

  其中太阳能于当日中午约12:30达到当日发电量尖峰的6GW,低于当时英格兰和威尔斯系统的负载需求约25GW。下午4点52分33秒的其中一个雷击击中某个400kV超高压输电电塔;虽然电塔保护系统迅速自我排除事故,但影响到配电系统崁入式电源主馈线丧失(Loss of Main, LoM)的电压向量位移保护(vector shift protection)电驿动作跳脱约150MW发电出力。

重要时间点二:第一台风力发电机跳机,系统频率急速下降

  雷击后半秒间,沃旭能源(Ørsted)位于北海全球最大的离岸风场号角海一号(Hornsea One)风机控制器发生不正确反应,造成风机过流电驿动作跳机约737MW,此跳机造成系统频率瞬间从标准50Hz陡峭急速下降。

重要时间点三:紧接著天然气机组跟著跳脱,扛系统的发电出力变少了

  同样约莫半秒后,德国莱茵集团(RWE)的小巴福特(Little Barford)发电厂的天然气联合循环燃气轮机跟著立即跳脱,减少共约244MW发电出力。

重要时间点四:骨牌效应开始发生,发电出力损失到连核能机组都扛不起来

  因系统惯量大幅降低,电力系统频率持续疯狂下降,系统频率跌幅值超过预期;导致嵌入式电源LoM之频率变化率(RoCoF)保护电驿动作跳脱350MW发电量。电网累计失去共约1.5GW 发电出力,英国电网系统中,目前最大的发电机组是Sizewell B核电机组,装置容量约为1.2GW,电网频率于下午4点52分58秒骤降至49.1Hz。

重要时间点五:启用1,000MW的频率反应型辅助服务

  由于系统频率需控制在50Hz±1%,也就是不能低于49.5Hz。英国电力调度中心启用1,000MW的频率反应型辅助服务,其中包含快速型需量反应(约350MW)、大型储能系统(约472MW)和水力机组等其他备用资源(约178MW左右),电网频率于下午4点53分18秒再度回稳至49.2Hz。

重要时间点六:祸不单行,天然气机组又出状况

  但下午4点53分31秒小巴福特气涡轮又因蒸气压力过高而前后关闭了两台机组,损失了397MW。

重要时间点七:只好执行低频卸载,先活下来,总比系统全黑好

  此时系统的备转容量资源已被用尽。为了避免发生骨牌效应成整体电力系统崩溃,ESO调度中心启动了两次保护防线,执行约1,000MW的低频卸载(Low Frequency Demand Disconnection, LFDD),减少了5%电力需求,包含医院、机场和铁路,共约110万户用户以保障其他用户的用电,来保护其他95%的用电需求。

重要时间点八:频率终于恢复,正常供电

  45分钟后电网频率恢复正常,开始陆续开始恢复正常供电。

电力辅助服务是太阳能和风力发电并网的神救援!

我们之前的文章谈过,电力辅助服务的4大武器是需量反应、储能系统、发电机组及自用发电设备。

      台湾2017年八一五停电因大潭发电厂天然气供电中断,造成六部机组跳机。台湾电力调度原则为「发生最大机组N-1跳机事故不能导致低频卸载,即频率不得低于59.50Hz连续超过50秒」(注一)。当时服役中最大机组为核二厂,容量985MW,815事件时瞬间跳脱4,384MW,远高于台电之事前规划,为避免电力系统全面崩溃,进而启动分区轮流停电的保护措施,最终能于同日23时恢复正常供电,也是类似的道理。

  英国此次大停电事故中,快速型需量反应和储能系统仅花3分47秒就让电网频率恢复正常,远比十年前伦敦大停电的11分钟还要快,希望这个英国的真实事件带给你一些真实的想像,可能你觉得看故事不过瘾,欢迎你来参加六月份的产业小聚,相信可以更有启发。

(注一)N-1,其中的「1」是指电力系统会为了控制电网频率而预备辅助服务的量能,此量能相当于系统中最大的电力供给来源

注:本文由核能研究所的《从英国大停(限)电看台湾电力辅助服务的重要性》重新编写而成

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