電廠供電中斷,台灣電網能承受嗎?從英國大斷電事件了解電力輔助的重要性

倫敦夜景空照圖

【為什麼我們要挑選這篇文章】2017 年,台灣大潭電廠因天然氣供應中斷而跳機,進而引發大停電。2019 年,英國也發生大停電事件。雖然兩起停電事件的起因不同,但兩國都致力發展再生能源,而再生能源有穩定性不佳的問題。我們可以從英國停電事件始末與處理方式,了解當再生能源占比提升後,電網該具備怎樣的備案措施,降低停電發生的機率,若不幸發生,也降低停電造成的傷害。(責任編輯:郭家宏)

西元 1879 年,愛迪生將白熾燈泡商業化後,為了將燈泡普及到成千上萬的家庭和企業,於是在紐約曼哈頓珍珠街站興建了全美第一座發電廠,使用 6 台(共 670 kW)直流發電機,成功提供近 60 戶共一千多盞燈所需要的電力,自此帶動全球電力系統的發展。

9 年後的 1888 年,臺灣省首任巡撫劉銘傳也引進全臺灣第一台小型蒸氣燃煤發電機,於台北城內裝設電燈照明系統,在丹麥電氣技師的協助下,點亮臺灣第一盞電燈,開啟臺灣邁入現代化電力的便利生活。

130 多年後的今天,電力已經不只是為了點亮燈泡而已,它完全改變了人類的生活方式,而且這個改變仍在擴大;隨著可再生能源的迅速發展,在風能和太陽能高佔比的電力系統中,因為其發電的間歇性、不易預測性,對電力系統和電力調度更是極大的挑戰,為了保證電力系統的穩定運轉,電力系統的靈活性和彈性變得空前重要。

我想帶你從一個 2019 年英國發生的案例,來看看目前各國電力公司面對的巨大挑戰,之前文章《未來人的預言:2025 年大年初二將發生這件事》談的並不是瞎扯,在電力系統發生事故時,如何在關鍵的 90 秒,透過多元彈性的電力輔助服務,幫助提升電力系統提升的可靠度與韌性,避免更大範圍和更長時間的大停電,已經成了當務之急。

英國電力供電來源的結構目前為:風力 10.7%,天然氣 46%,核能 21.2%,生質能 6%,太陽能 5%,水力發電 1.1%,剩下 9.9% 則由跨國電網提供。英國無論在能源轉型和電力市場均走在世界的前沿,亦能維持不錯的電力系統可靠度,可靠度指標(SAIDI/SAIFI)和台電相近,因此,英國大停電的經驗也可以提供我們學習和參考。

2019 年,電網頻率下降導致英國大停電

2019 年 8 月 9 日接近英國當地時間傍晚 5 點前,當時適逢週五交通最繁忙的時段,英格蘭和威爾斯兩地區發生 10 年罕見的大範圍停電事件。大約有 60 多班車次的地鐵和鐵路被迫停駛,機場、車站和交通運輸因此癱瘓。倫敦最繁忙的尤斯頓(Euston)和國王十字(Kings Cross)車站也不得不被迫緊急關閉,造成大量旅客滯留,影響近百萬人。15 分鐘後,電力才開始陸續恢復,45 分鐘後大部分的供電才恢復正常,但停電所引起的混亂狀況一直持續到深夜才得以舒緩,而且還有部分電力直到一週過後才徹底修復。這是自 2003 年「倫敦大停電」後,英國所發生規模最大的停電事故,造成巨大的經濟損失。

2019 年英國大停電五分鐘電網頻率記錄圖 。英國電網頻率需維持在 50Hz±1%。圖片來源:英國政府

調查報告中指出,此次大停電的起因是由於三個(多重)非常規偶發事故幾乎同時發生,導致電網頻率快速下降,造成數台機組跳機解聯,多重事故累積的出力損失,超過英國供電可靠度標準(SQSS)所能抵禦的最嚴重事故狀況。倘若這次沒有靈活彈性可供調度的調頻資源,包括快速型需量反應及大型儲能系統來補足短期電力系統的電力供給不足,且讓電網頻率提升到標準值,此次恢復供電所需要的時間一定會更久,停電範圍也有可能更大。

三個事故,觸發停電的骨牌效應

重要時間點一:雷擊擊中某個 400 kV 超高壓輸電電塔

英國電力系統可分為三大系統,英格蘭和威爾斯、蘇格蘭和北愛爾蘭系統。事故當天,英國氣象局發布氣象最低警戒的「黃色警示」,當時電力系統約有 30% 供電來自於風能,30% 來自天然氣,22% 來自於核能,9% 來自歐洲跨國電網,其他來自生質能、水力和燃煤所提供,發電狀況和每年同一時期沒有不同,符合原來的發電量預測。

其中太陽能於當日中午約 12:30 達到當日發電量尖峰的 6 GW,低於當時英格蘭和威爾斯系統的負載需求約 25 GW。下午 4 點 52 分 33 秒的其中一個雷擊,擊中某個 400 kV 超高壓輸電電塔;雖然電塔保護系統迅速自我排除事故,但影響到配電系統崁入式電源主饋線喪失(Loss of Main, LoM)的電壓向量位移保護(vector shift protection)電驛動作跳脫約 150 MW 發電出力。

重要時間點二:第一台風力發電機跳機,系統頻率急速下降

雷擊後半秒間,沃旭能源(Ørsted)位於北海全球最大的離岸風場號角海一號(Hornsea One)風機控制器發生不正確反應,造成風機過流電驛動作跳機約 737 MW,此跳機造成系統頻率瞬間從標準 50 Hz 陡峭急速下降。

重要時間點三:緊接著天然氣機組跟著跳脫,扛系統的發電出力變少了

同樣約莫半秒後,德國萊茵集團(RWE)的小巴福特(Little Barford)發電廠的天然氣聯合循環燃氣輪機跟著立即跳脫,減少共約 244 MW 發電出力。

重要時間點四:骨牌效應開始發生,發電出力損失到連核能機組都扛不起來

因系統慣量大幅降低,電力系統頻率持續瘋狂下降,系統頻率跌幅值超過預期;導致嵌入式電源 LoM 之頻率變化率(RoCoF)保護電驛動作跳脫 350 MW 發電量。電網累計失去共約 1.5 GW 發電出力,英國電網系統中,目前最大的發電機組是 Sizewell B 核電機組,裝置容量約為 1.2 GW,電網頻率於下午 4 點 52 分 58 秒驟降至 49.1 Hz。

重要時間點五:啟用 1,000 MW 的頻率反應型輔助服務

由於系統頻率需控制在 50 Hz ± 1%,也就是不能低於 49.5 Hz。英國電力調度中心啟用 1,000 MW 的頻率反應型輔助服務,其中包含快速型需量反應(約 350 MW)、大型儲能系統(約 472 MW)和水力機組等其他備用資源(約 178 MW 左右),電網頻率於下午 4 點 53 分 18 秒再度回穩至 49.2 Hz。

重要時間點六:禍不單行,天然氣機組又出狀況

但下午 4 點 53 分 31 秒小巴福特氣渦輪又因蒸氣壓力過高而前後關閉了兩台機組,損失了 397 MW。

重要時間點七:只好執行低頻卸載,先活下來,總比系統全黑好

此時系統的備轉容量資源已被用盡。為了避免發生骨牌效應成整體電力系統崩潰, ESO 調度中心啟動了兩次保護防線,執行約 1,000 MW 的低頻卸載(Low Frequency Demand Disconnection, LFDD),減少了 5% 電力需求,包含醫院、機場和鐵路,共約 110 萬戶用戶以保障其他用戶的用電,來保護其他 95 %的用電需求。

重要時間點八:頻率終於恢復,正常供電

45 分鐘後電網頻率恢復正常,開始陸續開始恢復正常供電。

電力輔助服務是太陽能和風力發電併網的神救援

我們之前的文章談過,電力輔助服務的 4 大武器是需量反應、儲能系統、發電機組及自用發電設備。

臺灣 2017 年八一五停電因大潭發電廠天然氣供電中斷,造成 6 部機組跳機。臺灣電力調度原則為「發生最大機組 N-1 跳機事故不能導致低頻卸載,即頻率不得低於 59.50 Hz 連續超過 50 秒」(註一)。當時服役中最大機組為核二廠,容量 985 MW,815 事件時瞬間跳脫 4,384 MW,遠高於台電之事前規劃,為避免電力系統全面崩潰,進而啟動分區輪流停電的保護措施,最終能於同日 23 時恢復正常供電,也是類似的道理。

英國此次大停電事故中,快速型需量反應和儲能系統僅花 3 分 47 秒就讓電網頻率恢復正常,遠比十年前倫敦大停電的 11 分鐘還要快,希望這個英國的真實事件帶給你一些真實的想像,可能你覺得看故事不過癮,歡迎你來參加 六月份的產業小聚 ,相信可以更有啟發。

(註一)N-1,其中的「1」是指電力系統會為了控制電網頻率而預備輔助服務的量能,此量能相當於系統中最大的電力供給來源。

註:本文由核能研究所的《從英國大停(限)電看台灣電力輔助服務的重要性》重新編寫而成。

(本文經合作夥伴 綠學院 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈未來人的預言實在太準!在英國真的發生了 〉。首圖來源:Wikimedia Commons

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