Mielczarski: Czy rozproszona fotowoltaika spowodowała blackout w Anglii?

6 września 2019, 13:00 Energetyka

Wstępny raport opublikowany przez NationalGrid wskazuje, że głównymi przyczynami black-out w dn. 9 sierpnia 2019 roku było samoczynne odłączenie się od systemu rozproszonej fotowoltaiki (głównie panele PV), elektrowni wiatrowej morskiej oraz elektrowni gazowej o podwójnym cyklu. 

Ponad milion odbiorców pozbawionych energii

Awaria systemu elektroenergetycznego we wschodniej Anglii w dn. 9 sierpnia 2019r spowodowała odłączenie od sieci i pozbawienie zasilania ponad 1 152 tys. odbiorców, w tym tak wrażliwych jak: Newcastle Airport czy Ipswich Hospital. Tysiące osób podróżujących koleją zostało uwięzione w wagonach, często w podziemnych tunelach. Pracę kolei udało się przywrócić dopiero następnego dnia. Wielkość samoczynnie odłączonej fotowoltaiki nie była zbyt duża – 1878MW na 32000MW pracujących w systemie. Jednak przebieg awarii, jak i jej dynamika wydaje się być zaskoczeniem dla operatora sieci. Zdarzyło się coś co nie powinno się zdarzyć biorąc pod uwagę niewielkie i typowe zakłócenia pracy sieci. 

Rozproszona fotowoltaika i panele PV inicjują awarię

Ze wstępnego raportu NationalGrid wynika, że awarię zainicjowało samoczynne wyłączenie rozproszonej fotowoltaiki (głównie panele PV), która ma być przyszłością energetyki – odłączyło się samoczynnie 500MW. Kolejne redukcje mocy i odłączenia wydają się być następstwem samoczynnego wyłączenia się rozproszonej fotowoltaiki. Do rozwoju awarii kolejno przyczyniło się zredukowanie mocy w elektrowni wiatrowej morskiej Hornsea One – zmniejszenie generacji z 799MW do 62MW, a następnie wyłącznie się generatora turbiny parowej elektrowni gazowej w Little Barford (STC1 – 244MW), po czym zabezpieczenia wyłączyły pierwszą turbinę gazową (GT1A – 210W) z powodu zbyt dużego ciśnienia pary (turbina parowa była już wyłączona), a następnie wyprzedzając działanie zabezpieczeń dyspozytorzy wyłączyli drugą turbinę gazową (GT1B – 187MW). 

Zakłócenia działania sieci

Jak wynika ze wstępnego raportu, tak gwałtowna i szybka reakcja na zakłócenie pracy sieci jest zaskoczeniem. Wyładowania atmosferyczne, które są zjawiskiem często spotykanym, spowodowały zwarcie niebieskiej fazy z ziemią w linii wysokiego napięcia pomiędzy Wymondley i Eaton Socon. Prąd zawarcia ze stacji Wymondley wyniósł około 21 000 amperów, a ze stacji Eaton Socon około 7 000 amperów. Zwarcie spowodowało spadek napięcia na fazie niebieskiej do wielkości 50% wartości znamionowej. Zabezpieczenia linii po około 70 milisekundach wyłączyły fazę rozpoczynają działanie w trybie SPZ (Samoczynne Ponowne Załączenie), które załącza uszkodzoną fazę ponownie.

Dynamika awarii

Jednak chwilowy spadek napięcia spowodowało samoczynne i niekontrolowane wyłączenie instalacji rozproszonej fotowoltaiki, w większości paneli PV, które pracują jako źródła prądowe potrzebujące do poprawnej pracy napięcia z systemu elektroenergetycznego. Napięcie to gwałtownie zmalało, co spowodowało odłączenie się źródeł prądowych oraz innych źródeł rozproszonej fotowoltaiki wymagających zasilanie energią z systemu zewnętrznego. W sumie odłączyło się samoczynnie około 500MW. I chociaż samo odłączenie takich instalacji jest spodziewanym zjawiskiem przy zakłóceniach pracy sieci, to skutki tego odłączenia są zaskoczeniem. Dynamikę zjawisk pokazuje tabela oraz rysunek zaczerpnięte z raportu NatonalGridESO „Interim Report into Low Frequency Demand Disconnection (LFDD) following Generator Trips and Frequency Excursion on 9 Aug 2019”, 16 Aug 2019. Awaria, od zakłócenia do wyłączenia odbiorców, rozwinęła się w ciągu około 1,5 sekundy (16:52:33 -> 16:53:49.398).

Podsumowanie

Chociaż wstępny raport NationalGrid stara się kłaść nacisk na szybkie działanie operatorów sieci przesyłowej i dystrybucyjnych w przywróceniu zasilania, które nastąpiło po około 30 minutach, to wnioski z analizy tej awarii wskazują, że przyczyną inicjującą awarię, a wydaje się także, że głównym powodem było samoczynne odłączenie się 500MW rozproszonej fotowoltaiki, co spowodowało w następstwie znaczną redukcję mocy farmy wiatrowej morskiej i dalej wyłączenie elektrowni gazowo-parowej. Ta awaria podważa racjonalność założonych kierunków rozwoju systemu elektroenergetycznego, gdzie głównym źródłem energii elektrycznej mają być panele fotowoltaiczne, elektrownie wiatrowe morskie oraz elektrownie gazowe. To te trzy promowane technologie były przyczyną poważnej awarii. Jeżeli obecnie strata 500MW w niekontrolowanej, rozproszonej fotowoltaice jest w stanie zachwiać pracą systemu o mocy ponad 32 000MW, to jak zachowa się system elektroenergetyczny w przyszłości, kiedy rozproszonej fotowoltaiki i paneli PV będzie nie 500MW ale 5000MW lub więcej? Spadek napięcia o 50% w wyniku typowego zakłócenia powoduje odłączenie źródeł mocy pracujących jako źródła prądowe (panele PV). Czy to oznacza, że prawie każde zakłócenie napięcia w sieci spowoduje odłączenie niekontrolowanej rozproszonej fotowoltaiki, która ma być podstawą wytwarzania energii elektrycznej. Warto na te i inne pytania sobie odpowiedzieć, i najlepiej przed kolejnym black-out.

Przebieg awarii we wschodniej Anglii w dn. 9 sierpnia 2019r.

Czas	Zdarzenie
16:52:33	Wyładowania atmosferyczne na linii wysokiego napięcie Eaton Socon – Wymondley
16:52:33.490	Doziemiona niebieska faza linii. Spadek napięcia o 50%.
16:52:33.560	Po 70ms otwierają się wyłączniki od strony Wymondley
16:52:33.564	Po 74ms otwierają się wyłączniki od strony Eaton Socon
16:52:33.728	Morska elektrownia wiatrowa Hornsea zmniejsza moc
16:52:33.935	Morska elektrownia wiatrowa Hornsea zmniejszyła moc z 799MW do 62MW
16:52:34	Automatyczne odłączenie generatora turbiny parowej elektrowni gazowej w Little Barnford (STC1). Strata 244MW mocy.
16:52:34	Rozpoczyna działanie regulacja częstotliwości. Pomiary obciążenia transformatorów wysokiego napięcia na średnie pokazują wzrost obciążenia o 500MW wynikający z samoczynnego odłączenia rozproszonej fotowoltaiki. Samo odłączenie miało miejsce prawdopodobnie około 0,5sec. wcześniej.
16:53:18	Stabilizacja częstotliwości na poziomie 49,2Hz ze względu na wzrost mocy o 900MW inicjowany regulacją częstotliwości.
16:53:31	Odłącza się pierwsza turbina gazowa elektrowni Little Barnford (GT1A). Strata 210MW mocy.
16:53:49.398	Częstotliwość spada do 48,8Hz. Rozpoczynają działanie zabezpieczenia pod częstotliwościowe odłączając 981MW mocy i ponad 1 250 000 odbiorców.
16:53:58	Dyspozytorzy odłączają drugą turbinę (GT1B) w elektrowni Little Barnford. Strata 187MW mocy.
16:57:15	Na skutek wyłączenia odbiorców i ograniczenia mocy pobieranej z systemu elektroenergetycznego częstotliwość powraca do znamionowej wartości 50Hz.

RAPORT: Czego nauczył nas brytyjski blackout?