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反思 | 高比例可再生能源系统崩溃,大停电暴露了什么?

此次停电是由一系列因素共同作用下的巧合导致的。

西班牙是欧洲能源转型的“排头兵”。作为欧盟“Fitfor55”政策(2030年温室气体减排55%)的核心参与国,西班牙不仅超额完成了欧盟要求的2030年可再生能源占比42.5%目标(自身设定为81%),而且成为欧洲第二大光伏市场(仅次于德国)、第三大风电市场(仅次于德国、英国)。2024年,西班牙电力市场迎来了里程碑式的突破:可再生能源发电量占比首次超过56%,连续第三年成为电力净出口国,标志着其从“传统化石能源依赖”向“可再生能源主导”的转型进入了关键阶段。

(文章来源 微信公众号:能源新媒 作者:张蕾 张鹏 陈培培)

西班牙与法国双向输电能力均为380万千瓦,西班牙与摩洛哥输电能力60万~90万千瓦,与安道尔、摩洛哥仅有部分低压线路互联。

4·28事故过程与回顾

2025年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。其影响伊比利亚半岛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。西班牙在5秒内损失了15GW的发电能力,相当于全国60%的电力供应。本次事件中,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个小时。与西班牙电网相连的葡萄牙,也出现了大范围停电。两国交通瘫痪、通信中断,民众生活陷入混乱。电力供应次日基本恢复。这是欧洲近年来最严重的断电事件之一。

事故前系统频率接近50Hz,电压普遍在410~420kV的正常运行范围。电网负荷约25180MW。

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-148MHz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。

阶段1(12:00—12:30):系统振荡

第一次振荡(12:03):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。西班牙电网采取措施:与法国RTE协调减少互联输电、调整HVDC运行模式、增开5条400kV线路,但副作用是增加了电压。

第二次振荡(12:19):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。

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420kV以上,分布式和大型机组累计脱网525MW装机,其中317MW装机为≤1MW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。

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,西班牙和葡萄牙采用分区恢复计划,各分区利用本地水电以及西法、西—摩等跨国互联支援进行恢复,逐步增加发电和负荷。当满足充裕性和稳定性条件时,各区域电网重新进行互联,直至全国电网恢复。

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。

(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,但受制于启动条件及响应时间,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435kV)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。

不同机构对本次事故

的调查观点

国家安全委员会(2025年6月17日)发布的《关于2025.4.28电力危机的分析报告》认为:

1)系统电压调节能力不足。4月27日,运营商仅安排10座常规发电厂于次日投入运营,且1座发电厂发生停运,系统未安排电厂进行替代,故障时部分电厂没有及时响应甚至错误响应电压调节操作。

2)伊比利亚半岛一个电厂导致电网发生电压波动。

3)电厂低电压穿越策略导致脱网,事故范围扩大。

国家电网运营商REE(2025年6月18日)发布的《Black out in panish Peninsular Electrical Systemthe 28th of April 2025》认为:

1)系统故障前出现多次振荡,为某光伏电厂导致,系统按规则抑制了振荡;REE认同voltage surge(电压激增或电压浪涌)是停电的直接原因,但将主要责任归咎于传统发电厂未能控制电压水平,指出4月28日发电厂停电的异常情况以及运输网络的电力需求意外激增,否认其能源结构误判是关键因素。

2)故障发生时,配网变电站发生非计划性脱网,多个变电器未正确调整分接头,导致无功上升无法抑制。

3)并非系统配置不当,而是系统电厂未能跟踪系统指令。

电厂联盟(2025年6月23日)进行了第三方测试报告(未对外公布)仅给出结论性意见:支持政府结论,停电是由于REE错误计算导致的。

虽然西班牙业内各方对于本次事故的原因存在互相推诿的情况,但各方对于西班牙未来的电力系统的发展发出了警示。具体内容如下:

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安排两台启动超过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。

西班牙电网导则中光伏、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。

中国国家电网根据上述报告分析认为,此次停电是由一系列因素共同作用下的巧合导致的。这些因素包括低频振荡、电压浪涌以及新能源的断接。然而,本质是电力系统安全与稳定基础长期削弱所导致的必然结果,暴露出众多问题,如稳定性基础、源网协调、故障防御线和体制机制等。具体如下:

1)电网稳定性基础薄弱和长期未解决的规划滞后问题。

2)源网协调不当和级联跳闸导致事故扩大。

3)不匹配的故障防御线路未能防止系统崩溃。

4)市场机制中缺乏最低启动模式或黑启动,用以支持电网安全。

对我国电力系统的启示

当前我国大型风电场、光伏电站虽然已具备相对完善的电压穿越、无功功率调节及电压控制能力,但无功补偿设备质量差别较大,无功—电压调节特性差异显著,实际运行情况可能不理想。以某500kV变电站为例,在人工短路试验中发现片区静止无功发生器在故障期间仅1/3正确响应,动态无功支撑能力难以满足高比例新能源接入场景下的电压稳定需求。建议“十五五”期间,统筹源网荷储规划,专题开展电网无功支撑资源布局规划研究加强源网荷储各侧动态无功补偿装置的配置,完善自动电压控制功能,提升对电网电压的控制能力。

我国新能源单机容量普遍较小、场站数量大,且新能源装备处于快速研发迭代阶段,型号版本多、参数差异大,内部控制逻辑和参数不开放,实际模型难以准确掌握,大量分布式新能源向管理较弱的中低压电网渗透,显著增加了涉网管理难度,存在着异常扰动下脱网风险。

建议修订完善新能源涉网系列标准,细化明确故障穿越及涉网保护、宽频阻抗特性参数工况一致性等重要参数整定要求。

随着新能源的快速增长,我国电网运行逐步进入经验上的“无人区”、技术上的“深水区”,在新能源高渗透率运行方式下,电力电子变流器控制保护的非线性行为和多时间尺度耦合特性增加了系统扰动响应的复杂性,电压、频率、振荡等多种稳定性问题交织,系统运行边界及故障影响易突破预想空间。传统基于离线计算分析的安全稳定防御体系难以适应,存在控制无解、失效或代价过大、防线间协同失配等问题。对于此次西葡大停电发生的电压向上失稳的连锁故障过程,除当前第二三道防线除失步解列外缺乏有效、精准的阻断、限制措施。

建议加强新能源高渗透系统振荡形成机理、振荡模态演变的研究,高度重视局部振荡激发系统振荡的风险,建立振荡预防、监测、溯源和抑制控制体系。

当前,我国黑启动电源更多依赖水电,燃气轮机、储能等支撑黑启动尚未形成大规模的实际应用。我国应加强严格实施最低启动要求,将最低启动要求纳入强制性规范,并加强对发电企业的管理,建立联合协商机制,明确安全责任范围。

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