从西班牙大停电看新型电力系统的内外生态势推演与安全防御

汤奕教授，博士生导师东南大学电气工程学院 事故过程回顾与分析01 源网荷实时模型构建02 主配微有序协同控制03 内外生系统态势推演04 极端场景的主动防御05 新能源助力快速恢复06 事故过程回顾与分析01 源网荷实时模型构建02 主配微有序协同控制03 内外生系统态势推演04 极端场景的主动防御05 新能源助力快速恢复06 事故过程回顾 事故前系统网架及电源配置情况： （1）西-法双向输电能力均为380万千瓦，西-摩输电能力60-90万千瓦，与安道尔仅有部分低压线路互联 事件发生当日的发电电力结构为：太阳能占比55%，风能10%，核能10%，水电近10%，但西班牙政府表示该能源结构在过去几年中保持了安全运行，故障非高比例可再生能源诱发。恢复过程中的限制：西班牙储能容量仅2.1GWh（占电力需求0.3%）停电当日风电出力低（从8GW降至1.2GW) 4月28日，西班牙、葡萄牙发生遭遇欧洲近年来最严重的大停电事件，影响伊比利亚半岛5000万人， 停电区域波及法国南部，对经济社会正常运转造成严重影响。 本次事件中，西班牙在5秒内损失了15GW用电负荷，相当于全国60%的电力供应，西班牙一度进入国家紧急状态。停电直至4月29日11时恢复，停电时长接近23小时。 阶段0（9:00–12:00）：电压不稳定 4月28日早上以及之前的数日内，系统出现了包括剧烈波动的电压不稳定现象。尽管整体电压值未超出操作规范范围，但从06:00起就出现波动趋势，特别是在09:00后振荡加剧，09:02系统频率出现-148 mHz偏移，系统虽仍保持在操作规定范围内，但电压不稳定已显著并引发部分运营商关注。 西班牙-葡萄牙大停电事故过程回顾 阶段1（12:00–12:30）：系统振荡 第二次振荡（12:19） 第一次振荡（12:03） 西班牙电网采取措施：与法国RTE协调减少互联输电、频率0.2Hz，幅度200mHz，持续3分20秒；触发全国多个区域电压快速波动，振幅可达23kV；属于“欧洲自然振荡模式”之一（东-中-西部模式）；西班牙电网采取措施：继续执行网间出口限制，计划启动更多控制能力电厂，但未能在事发前完成，该措施进一步导致了电压上升。 频率0.6Hz，幅度70mHz，历时约4分42秒； 引发南部与西部地区剧烈电压摆动，振荡范围甚至影响法国及德国； 调整HVDC运行模式、增开5条400kV线路，但副作用是增加了电压。 西班牙-葡萄牙大停电事故过程回顾 阶段2（12:32–12:33:18）：过电压导致发电损失 电网电压线性上升至420 kV以上，分布式和大型机组累计脱网525 MW，其中317 MW为≤1 MW分布式。 12:32:57：西班牙南部电网出现第1次机组脱网情况，电网频率突降约0.03Hz，之后维持在49.95Hz左右；12:33:16.5：西班牙南部电网出现第2次机组脱网情况，电网频率突降约0.05Hz，之后维持在49.9Hz左右；12:33:17.8：西班牙南部电网出现第3次机组脱网情况，电网频率突降约0.05Hz； 至此，西班牙电网电源脱网量总计220万千瓦，引发西班牙、葡萄牙电网频率下降和电压上升。 西班牙-葡萄牙大停电事故过程回顾 阶段3（12:33:18–12:33:30）：系统崩溃直至零电压 发电损失引发频率下降和电压异常扩展，局部失控传导至全网。电压升至部分节点450kV以上；进一步引发逆变器保护动作，导致更多发电单元脱网；从西南向东北部呈“级联崩溃”态势，系统无法恢复平衡。最终，全部电压归零，西班牙与葡萄牙电网自欧洲大陆同步电网中断连接，进入“全停状态”。 12:33:18~12:33:21：西班牙、葡萄牙电网频率持续跌落至48.0Hz，触发西班牙和葡萄牙触发低频减载动作； 12:33:21：西班牙-法国交流联络线失步保护装置动作，西葡电网与欧洲主网解列；12:33:24：西班牙、葡萄牙电网崩溃，西班牙与法国的直流线路停运。 阶段4（4月28日12:33:30 – 4月29日14:36）：供电恢复 通过国内机组渐次并网和跨国互联最大化进口，至5月29日早7:00恢复99.95%负荷，14:36完成所有技术工作。 西班牙-葡萄牙大停电事故原因分析 根据西班牙电力危机分析委员会报告，事故原因分析主要归纳为以下三点： （1）系统整体电压调控能力表现出明显不足。 首先，事故发生前一日（即4月27日），调度部门虽已按照计划安排了10座具备动态电压调节功能的同步机组在次日（28日）并网运行，但实际投入运行的数量创下年度新低，导致系统初始电压支撑能力偏弱； 其次，部分按照调控目标被激励性并网、具备电压调节义务的机组，未能有效响应调度中心下发的降压控制指令，甚至出现无功输出方向与要求相反的情况，从而在关键时段进一步推高系统电压，削弱了调控措施的实效性。 西班牙-葡萄牙大停电事故原因分析 （2）系统振荡问题进一步干扰了电压稳定控制。 首轮显著振荡起源于伊比利亚半岛某局部电源，其扰动传播导致系统拓扑结构被迫调整，从而增加了电压调节的复杂度； 第二次振荡发生后，调度机构虽计划启用一台对电压支撑具备关键作用的机组，但受制于起动条件及响应时间，该机组未能在系统解列前实现并网运行，错失了关键支撑窗口。 （3）多个发电机组在事故演进过程中脱网，且部分跳闸行为存在合理性疑问。 一方面，有机组在输电网电压尚处于规定运行范围（通常为380kV至435 kV）时即发生解列，反映出保护动作可能过于保守；另一方面，亦有机组在系统电压短时突破保护限值后才被迫脱网，表明其耐受特性或保护设定边界不足。在未实施时间延迟与电压容差机制的条件下，这些不当脱网行为放大了电压扰动的连锁效应。 事故过程回顾 事故过程分析 故障发生前多次产生不同性质的低电压问题 电压波动： •11:04-09，部分变压器误动作，REE怀疑为设备未能完成规定动作的前兆，系统出现多次0.2Hz振荡，但都在系统安全范围内。 振荡加剧： •故障发生前，电力系统频繁（12:03，12:19）出现0.2Hz及0.6Hz的低频振荡问题，系统电压跌幅超30kV，多种管控措施被实施，降低了系统吸收无功（抑过电压）的能力。REE声称为南部一250MW光伏电站导致 事故过程分析 1）电网调度中心始终未能完全掌握系统的响应情况 •REE在处理措施时仅依靠电压、频率等若干指标，在实时运行中未给出可信的0.2Hz振荡来源，且在事后分析中其颗粒度仅下沉到变电站侧，对12:22等时刻出现的负荷激增现象未进行深入分析；•报告中出现多次系统变压器未按规定动作进行响应；•系统在12:22安排两台启动超1小时的燃气机组提供无功支撑，未能及时补充电压服务。 2）输电网和配电网之间协同能力低下 中光伏、风电场采用固定功率因素角控制，系统无功支撑仅靠火电、燃气等少量机组支撑。 3）对未来系统风险缺乏认知 事后证明，系统采取的多次采用相同的抑制振荡措施（降联络线、脱开并联电抗器），实际降低了系统的电压稳定防御能力，叠加设备故障导致过电压脱网。REE在事前策略整定时缺乏足够风险认知。 4）缺乏更灵活的主动防御能力 系统措施单一，在低频振荡抑制采用单纯切功率策略，在出现过电压问题时各机组动作间缺乏协调，导致故障范围不断扩大。 5）黑启动电源缺失 全网仅配置有3GW的水电机组作为黑启动电源，联络线传输极限低，耗时约15小时才恢复供电 事故过程回顾与分析01 源网荷实时模型构建02 主配微有序协同控制03 内外生系统态势推演04 极端场景的主动防御05 新能源助力快速恢复06 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建 新能源场站运行方式固定为功率因数控制，无法根据电网实时状态，切换控制模式，支撑电网安全稳定运行 •Due to their location in the southern region,the reduction in load on the transmission lines toward France affects agreater number of lines,thereby exerting a more significant impact on system voltage. •These are plants within the RCW group that comply with Royal Decree 413/2014,where voltage control is based on power factor,with reactive power absorption proportional to the active power generated.Therefore,when active powerproduction decreases,reactive power absorption is also de- creased. 4月28日，西班牙遭遇极端热浪，多地气温突破45摄氏度，用电负荷飙升至历史峰值。大规模发电功率损失，引起发电功率和负荷需求之间的不平衡，从而导致功率振荡。停电当天，西班牙风电、光伏出力波动，抽蓄及新型储能容量仅335.6万千瓦，常规可调电源占比过低，无法缓冲供需失衡。 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） 具有电网稳定特性自适应能力的新能源参数优化 1）新能源接入对功角稳定的影响 根据加减速功率变化量的正负得到解析判据，不同系统参数，对应三种不同的影响结果（负面/正面/不定）。四个参数将不同接入场景划分为8个参数域，奇数编号的参数域可直接判定电力电子型电源接入对系统稳定性产生的影响；偶数编号的参数域不可判定，需要进一步进行详细分析。 直流潮流近似、两机系统等效故障期间��≈�简化和近似假设： 电力电子型电源接入可能导致： 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） 具有电网稳定特性自适应能力的新能源参数优化 2）新能源接入对电压稳定的影响 对于高比例新能源并网后，严重交流故障下系统可能电压失稳，即使满足[10s, 0.8p.u.]的电压稳定要求，若新能源并网点电压较长时间处于较低水平（低于0.9p.u.持续2s），会引起新能源脱网。若新能源无功支撑能力不足，会加剧电压失稳或脱网风险。 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） 具有电网稳定特性自适应能力的新能源参数优化 2）新能源接入对电压和功角耦合稳定的影响 特别地，新能源与传统机组联合送出场景下，电压稳定问题和功角稳定问题耦合，电网电压跌落会导致送出通道最大电磁功率下降，相当于等值减速面积减小而威胁系统功角稳定性。若新能源有功输出较大，会导致等值机械功率较大，相当于等值加速面积较大而进一步增大功角失稳风险。 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） 具有电网稳定特性自适应能力的新能源参数优化 3）新能源接入对频率稳定的影响 推导得到系统频率与功率缺额之间的闭环传递函数关系，进一步分析典型参数下的不同电力电子型电源接入比例对系统频率特性的影响，从频率偏差曲线来看，随着新能源渗透率的增大，系统的频率变化率、频率上升幅值以及稳态频率偏差均逐渐增大，而且是非线性增大的趋势。 计及电力电子型电源接入的系统频率响应模型1 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） （3）新能源控制参数对电网同步稳定性的影响规律 以新能源接入电网的典型结构为例，如图光伏机组通过3/4级变压器连接至电网。系统的暂态稳定特性与新能源的故障穿越及恢复策略密切相关。 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） 西班牙大停电——看的清：源网荷实时模型构建（电源） （3）新能源控制参数对电网同步稳定性的影响规律 提出基于电网稳定性动态量化评估的新