【思考】欧洲大停电分析

       当地时间4月28日中午，西班牙和葡萄牙发生了大规模停电事故，两国多个地区的电力供应中断，波及超过5000万伊比利亚半岛民众，交通、通信、医疗等关键领域受到影响，马德里网球公开赛因停电被迫暂停，周边法国、意大利等国亦受影响。

       截至发稿，西班牙、葡萄牙电力供应尚未恢复，停电原因尚不明确。

       据西班牙国家电网公司Red Eléctrica官网的运行数据显示，当天中午十二点半左右，西班牙电网负荷从大约2500万千瓦骤降至约1400万千瓦，随后一小时内进一步下降至约1000万千瓦，截至发稿，负荷缓慢恢复至约1200万千瓦，仍有大量电力供应没有恢复。

                                西班牙电网负荷变化图来源：西班牙国家电网公司官网

        西班牙国家电网公司Red Eléctrica表示，恢复西班牙全国电力供应可能需要6小时至10小时，但停电原因目前尚未确定。Red Eléctrica在社交网站上发表公开消息称，“我们开始恢复北部和南部半岛的紧张局势，逐步满足电力供应的关键。”主管爱德华多·普列托（Eduardo Prieto）对媒体称，这次停电史无前例（unprecedented），异常且非同寻常（exceptional and extraordinary）。

       在西班牙巴塞罗那生活的当地华人赖忆告诉《财经》，中午十二点半左右，正在厨房做饭时发现突然停电，走出家门后发现整条街道都停电了，起初以为只是一条街受影响，后来发现城市几乎全部瘫痪，店铺都关门了，公交车站牌不再显示信息，地铁也停运了。

       赖忆在巴塞罗那最繁华的感恩大道看到，红绿灯停止了工作，交警在十字路口维持秩序。她的手机从停电时就没有信号，到下午两点多依然没有恢复，暂时依靠街边服装店的Wi-Fi和外界取得联系。

       正在西班牙莱昂旅行的中国游客刘女士告诉《财经》，十二点半左右发生了停电，当地教堂景点的工作人员开着手机的手电筒售票，公交车也停运了，手机没了信号，直到一个多小时后才恢复，但信号依然很不稳定，时断时续。

        莱昂作为旅游城市，突然的停电打断了许多游客的出行计划，刘女士告诉《财经》，自己听说火车停运，因此决定在当地多待一天，而入住的酒店已经接近满房，有后来的游客来询问房间，酒店已经无法接待。也有其他游客所住的酒店因为停电，大门无法上锁，前台还在苦恼晚上如何看门。

        据媒体报道，停电后，马德里和里斯本的地铁站紧急疏散人员，商店和公共场所关闭。医院转用备用电源，机场和地铁系统也出现了重大干扰。通信服务的中断也是此次停电事件的重要后果之一。大范围的停电导致移动通信网络出现问题，尤其是语音通话功能受限。

        通信受限的影响还在持续，据网络分析平台Cloudflare Radar的数据，停电后，葡萄牙的网络流量下降了多达30%，西班牙下降了37%。虽然部分地区的互联网数据服务在一定时间后恢复，但整体通信能力仍受到限制。

                          西班牙网络流量在停电事故后骤降来源：Cloudflare Radar

       西班牙首相佩德罗·桑切斯访问了国家电网控制中心，承诺动用所有资源迅速解决问题。葡萄牙政府也召开了紧急会议，评估局势并采取应对措施。西班牙马德里自治区主席阿尤索（Isabel Díaz Ayuso）要求政府启动3级应急响应，以便军队在必要时能够维持秩序。

       周边国家亦受影响，但事故暂未扩展至欧洲大陆。法国输电公司RTE在社交网站发布信息表示，当地时间12点38分，伊比利亚电网与欧洲电网断开链接，至下午1点30分，法国和西班牙加泰罗尼亚地区之间400千伏线路恢复供电，巴斯克地区法国境内的家庭停电了几分钟，但已经恢复供应。目前法国电网对西班牙实现了700兆瓦电力供应，一旦伊比利亚电网恢复，电力供应将增加至950兆瓦。

        事故的原因尚未明确，欧盟委员会表示，正在与西班牙、葡萄牙和欧洲电网运营商联系，以了解事件的根本原因和影响。

       为什么停电？

       葡萄牙方面认为，此次停电的源头在于西班牙。

       葡萄牙国家电网公司（Redes Energéticas Nacionais，REN）负责人康塞桑（João Faria Conceição）表示，由于西班牙时间比葡萄牙早一小时，该国每日上午都会从西班牙进口电力，西班牙太阳能发电厂生产的电力比葡萄牙国内发电更便宜。葡萄牙因此受到停电影响。

       西班牙国家电网运营商Red Eléctrica服务总监普里埃托（Eduardo Prieto）证实，电网出现“剧烈波动”，导致西班牙与欧洲大陆电网断开，引发系统崩溃，但并未透露具体原因。

       葡萄牙国家电网公司REN认为：“由于西班牙内陆地区极端温度波动，400千伏高压输电线路出现异常振荡，这种现象被称为‘大气诱导振荡’。这些振荡导致电力系统同步故障，进而引发欧洲互联电网的连锁扰动。”

       桑切斯则在当晚的发布会上表示，“造成这一情况的原因尚不明确”，具体原因仍在调查中，呼吁公众不要进行过多猜测。

       气象数据显示，当地时间中午至下午1点期间，西班牙南部气温急剧上升。不过，伦敦政治经济学院环境经济学助理教授贾维斯（Stephen Jarvis）认为，天气并未异常，系统故障更可能是罪魁祸首，供需失衡导致供电中断。这将停电原因指向西班牙的电网设施。

       能源数据专家蒙特尔公司（Montel）董事休伊特（Phil Hewitt）表示，西班牙高比例使用风能和太阳能，且与邻国连接有限，这可能使其难以应对电力波动。

        长期以来，由于与法国及其他欧盟国家之间的电网跨境连接较少，而西班牙和葡萄牙的电力系统高度互联，这两国一直被称为欧盟的“能源孤岛”。能源咨询公司Rystad资深电力分析师拉姆达斯（Pratheeksha Ramdas）也称，西班牙与法国的有限交易容量“在大型扰动期间限制了快速响应能力”。

        欧盟委员会长期以来一直希望改变这一现状，强烈鼓励欧盟各国建设更多互联线路。官员们认为这将提升能源安全并促进跨境电力流动。马德里、里斯本和巴黎已多次表示愿意推进该计划，但进展缓慢。欧盟能源监管还合作局去年警告称，西班牙和法国在巴斯克地区的互联项目释放的电力传输容量不足。

                        事故发生时西班牙电力结构示意图来源：ENTSO-E

       欧洲输电系统运营商联盟（ENTSO-E）发布的数据显示，在事故发生前，西班牙电力系统中光伏发电占主导地位。此前在4月16日，西班牙历史上首次实现100%的可再生能源供电，风电、光伏和水电满足了当天西班牙的全部电力需求。但随着新能源装机比例的不断扩大，其给电网安全运行带来的风险正引起更多关注。

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事故分析：

       事故发在中午12：45分，正是光伏大发时段， 常规机组已全部退出，100%由可再生能源供电。这时系统转动惯量基本为0，且失去一次调频和电压支撑（励磁），若系统发生任何N-1故障，如线路或变压器过载跳闸，则系统无法自动调节，必然崩溃。

        相比较于以煤电等为主的传统能源，可再生能源占比高的电网抗干扰性较差。“在一个由大型旋转机械(燃煤电厂、燃气轮机、核反应堆)主导的传统电网中，即使是来自恶劣天气的小干扰，也会被系统的纯粹物理惯性所吸收和消除。发电机沉重的旋转质量就像一个减震器，抵抗频率的快速变化，稳定电网。”美国加州的资深能源记者谢伦伯格(Michael Shellenberger)4月28日在社交平台撰文指出，但在一个由太阳能电池板、风力涡轮机和逆变器主导的电力系统中，几乎不存在物理惯性。以逆变器为基础的系统在现代可再生能源电网中占主导地位，虽然精确但也很脆弱。它们遵循电网的频率，而不是抵制突然的变化。

        在传统电网中，大型旋转机械确实起着重要的稳定作用。以下是对其原理的进一步解释：

• 物理惯性的缓冲作用：大型旋转机械具有巨大的物理惯性。当电网受到如恶劣天气等因素引起的小干扰时，这种惯性使得发电机的旋转速度不会立刻发生明显变化。就像一个高速旋转的陀螺，由于其惯性，不容易受到轻微外力的影响而改变旋转状态。
• 频率稳定机制：发电机的旋转速度与电网的频率紧密相关。大型旋转机械的旋转质量充当减震器，能够抵抗频率的快速变化。当电网负荷突然变化或出现其他干扰时，旋转质量的惯性会使发电机的输出频率保持相对稳定，避免频率大幅波动，从而稳定电网。例如，在燃煤电厂中，大型汽轮机的旋转质量很大，能够在电网出现小扰动时，维持电网频率在正常范围内。
• 能量储存与释放：旋转机械在旋转过程中储存了大量的动能。当电网需要额外的能量来应对负荷增加或其他扰动时，旋转质量可以通过减速释放部分动能，为电网提供短期的能量支持。相反，当电网能量过剩时，旋转质量可以吸收多余的能量，通过加速来储存能量，起到平衡电网能量的作用。

   除了大型旋转机械，以下技术也可以提高电网的稳定性：

• 灵活交流输电系统（FACTS）技术
  • 静止无功补偿器（SVC）：能快速调节无功功率，维持电压稳定，增强电网的电压稳定性，提高输电线路的输送能力，阻尼功率振荡。
  • 静止同步补偿器（STATCOM）：基于电力电子技术，动态响应速度更快，能更精确地控制无功功率，在改善电能质量、提高电网稳定性方面效果显著。
  • 可控串联补偿器（TCSC）：通过调节串联电容的容抗，灵活控制输电线路的阻抗，提高电力系统的暂态稳定性和输电能力，有效阻尼功率振荡。
• 高压直流输电（HVDC）技术
  • 功率快速调节：可以快速、精确地控制直流输电的功率大小和方向，在电网出现故障或功率不平衡时，迅速调整输送功率，实现电网的功率平衡和稳定运行。
  • 异步互联：能够实现不同频率交流电网之间的异步互联，避免交流系统之间的故障传播，提高电网的可靠性和稳定性，增强电网应对大规模故障的能力。
• 电网自动化与智能控制技术
  • 能量管理系统（EMS）：实时监测电网的运行状态，进行发电计划制定、负荷预测、调度决策等，通过优化调度实现电网的经济、稳定运行，及时发现并处理电网中的异常情况。
  • 分布式电源智能控制系统：对分布式电源进行有效的控制和管理，使其能够根据电网的需求调整出力，参与电网的电压和频率调节，提高分布式电源接入后的电网稳定性。
  • 智能变电站技术：实现变电站的自动化控制、保护和监测功能，具备更高的可靠性和灵活性，能快速响应电网故障，实现故障的快速隔离和恢复供电，提高电网的稳定性和供电质量。
• 储能技术
  • 电池储能系统：如锂离子电池、铅酸电池等，可在电网负荷低谷时充电，在负荷高峰时放电，起到削峰填谷的作用，平滑电网功率波动，提高电网的稳定性和可靠性，还可用于电网的调频、调压等辅助服务。
  • 液流电池储能：具有储能容量大、循环寿命长、充放电效率高等优点，适合大规模储能应用，能在电网出现功率缺额或过剩时，快速进行能量的释放或存储，稳定电网运行。
  • 飞轮储能：利用高速旋转的飞轮储存动能，在需要时将动能转化为电能释放到电网中，响应速度快，可用于电网的短期功率调节和稳定性控制。
• 柔性直流输电（VSC - HVDC）技术
  • 自换相能力：采用可关断电力电子器件，具有自换相能力，无需依赖交流系统的换相电压，能够独立控制有功和无功功率，对受端系统的电压和频率支撑能力强，提高了电网的稳定性。
  • 多端直流输电：便于构建多端直流输电系统，实现多个电源点和负荷中心之间的灵活互联，增强电网的灵活性和可靠性，在新能源接入、城市电网供电等方面具有独特优势，有助于提高电网的稳定性。