依據(jù)英國國家電網(wǎng)公司在官方披露的信息，以及作者在英國電力工業(yè)界的多年工作經(jīng)驗，并結(jié)合知情人士提供的相關(guān)信息，本文對這次大停電事故進行梳理和分析。英國電監(jiān)會OFGEM要求英國國家電網(wǎng)公司進行詳細(xì)調(diào)查。8月16日，英國國家電網(wǎng)宣布初步調(diào)查報告已經(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，有可能與真實情況存在偏差。

重點一：先前媒體報道的情況是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)的頻率為何會發(fā)生0.2Hz/s的快速跌落？

英國電力系統(tǒng)在夏季用電負(fù)荷為30GW左右時，系統(tǒng)機械慣量在150-200GVA×S左右，如圖6所示。保守估計，斷電事件發(fā)生前系統(tǒng)機械慣量至少有120-150GVA×S，按電機搖擺方程計算，如圖5紅色背景框所示，0.2Hz/s的頻率下降速率會導(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，筆者推斷實際情況很可能是小巴福電站部分機組和霍恩熙風(fēng)電場在相隔很短時間幾乎“同時”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，很可能是因為小巴福電站機組剩余機組（兩臺燃?xì)鈾C組）脫網(wǎng)造成，但該推斷仍有待證實。

 圖6：英不列顛島電力系統(tǒng)夏季機械慣量

重點二：小巴福電站和霍恩熙風(fēng)電場是否具有相互穩(wěn)定性影響，導(dǎo)致同時跳閘？

據(jù)知情人士透露，此次電站停機，是由于小巴福電站周圍的雷擊造成了1臺汽輪發(fā)電機組先跳閘和2臺燃?xì)廨啓C的隨后跳閘，進而引起系統(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)電場具有穩(wěn)定性的強耦合關(guān)系，采用交流傳輸方式的霍恩熙離岸風(fēng)電場會受到陸上電網(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)電場的設(shè)計足以承受這樣的系統(tǒng)振蕩，但據(jù)最新的霍恩熙風(fēng)電場官方披露，霍恩熙風(fēng)電場出現(xiàn)了“技術(shù)性故障”，從而導(dǎo)致了不必要的脫網(wǎng)。事實上，霍恩熙風(fēng)電場采用的直驅(qū)風(fēng)電機技術(shù)，其換流器端口對低頻振蕩在特定頻率點可能存在“負(fù)阻尼”效應(yīng)，不僅不會抑制諧振頻段的振蕩，還會放大振蕩效果，造成電壓發(fā)散式震蕩而最終導(dǎo)致風(fēng)電機脫網(wǎng)，如圖7所示。2015年7月1日在我國新疆哈密就發(fā)生過直驅(qū)風(fēng)電場因次同步振蕩而導(dǎo)致切機的事故。相比于與主網(wǎng)直連的哈密風(fēng)電場，120km長距離海底電纜并網(wǎng)的霍恩熙離岸風(fēng)電場，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)電場的跳閘是因為與主網(wǎng)發(fā)生了未知頻段的振蕩，導(dǎo)致保護系統(tǒng)切機。

 圖7：風(fēng)電機換流器對電網(wǎng)震蕩的負(fù)阻尼效應(yīng)

重點三：由于英國國家電力調(diào)度中心嚴(yán)格完善的系統(tǒng)機械慣量管理與保障制度，完全可以應(yīng)對小巴福電站和霍恩熙風(fēng)電場同時跳閘情況。為何電網(wǎng)頻率依然會持續(xù)下跌至切除負(fù)荷的程度？

英國國家電力調(diào)度中心在一天不同時段會嚴(yán)格預(yù)測系統(tǒng)機械慣量，并依據(jù)系統(tǒng)慣量的缺乏程度來關(guān)停無機械慣量的風(fēng)電機和直流輸電饋入、開啟同步發(fā)電機以增加系統(tǒng)慣量，同時依據(jù)即時系統(tǒng)慣量來采購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？

近年來英國大量分布式光伏滿足了千千萬萬家庭的供電。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，當(dāng)配網(wǎng)頻率變化率高于閾值0.125Hz/s時立即動作，使光伏電站停機脫網(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較少的情況下不會產(chǎn)生問題，但當(dāng)大量光伏并入配電網(wǎng)時，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會觸發(fā)分布式光伏的防孤島保護而導(dǎo)致大量分布式光伏脫網(wǎng)。英國國家電網(wǎng)公司早就意識到這個問題，在2016年即完成了5MW以上光伏電站防孤島保護觸發(fā)閾值的更新，從最初的0.125Hz/s提高到了1Hz/s。然而對于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，因此對系統(tǒng)運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，紅點為小巴福電站位置，綠點為光伏電站的主要安裝區(qū)域。小巴福電站的跳閘，勢必會直接引起周圍分布式光伏的跳閘。據(jù)筆者對圖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)電場的跳閘而造成，而是在頻率急速下降的同時，觸發(fā)了諸多分布式光伏電站防孤島保護而造成其脫網(wǎng)，致使發(fā)電饋入進一步損失而造成的。

 圖8：英不列顛島光伏電站主要安裝區(qū)域（綠點）及小巴福電站位置（紅點）

重點四：為何蘇格蘭地區(qū)未發(fā)生明顯斷電現(xiàn)象？

英國國家電網(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行的。當(dāng)頻率下降至48.8Hz時，英格蘭及威爾士區(qū)域（表1中“The Company”）的配電網(wǎng)需自動減載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)無需自動減載。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48.8Hz時，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：英國電網(wǎng)Low-frequency-Demand-Disconnection低頻減載措施

五、結(jié)論

對于英國2019.8.9大斷電事故，本文結(jié)合觀測到的數(shù)據(jù)和獲得的相關(guān)信息，提出以下相關(guān)推測：

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)電場脫網(wǎng)共同造成的，而非僅僅因為一個小巴福電站跳閘；

2. 霍恩熙風(fēng)電場是因為未知頻段的振蕩，導(dǎo)致保護系統(tǒng)切機而脫網(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)電場跳閘而造成，而是在系統(tǒng)頻率急速下降時觸發(fā)了諸多分布式光伏電站防孤島保護而導(dǎo)致它們脫網(wǎng)、發(fā)電饋入進一步損失而造成的；

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的問題，值得全球電力工業(yè)界專家和學(xué)者進一步探討、研究和反思。設(shè)計有效的電網(wǎng)規(guī)劃和新能源電站新型控制與保護的解決方案，迫在眉睫！