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2024年7月14日，歐洲盃決賽打響，西班牙對陣英格蘭。隨著中場休息哨聲響起，數百萬英格蘭球迷還未平復緊張的心情，便不約而同的做了同一件事——衝向廚房，燒水泡茶。
短短幾分鐘內，超過1000兆瓦（1兆瓦=1000千瓦）的電力需求湧向英國國家電網。好在電網的工程師對此早有準備，他們甚至還會用一個詞專門形容這種現象——TV pickup（或可譯為“電視激增”）。當熱門的電視節目進入廣告時間，英國人就會抓緊時間泡茶或衝咖啡。泡茶要燒水，燒水要用電，這會導致電力負荷激增，並且發生的頻率比你想得更頻繁。
電網平衡
TV pickup是英國獨有的現象，它是英國文化和電力系統共同導致的結果。英國人喜歡喝茶，並且英國的電水壺功率也偏大一些，可以達到2.5到3千瓦。當大型節目或重要的體育賽事到達廣告時段，或達到戲劇性的結尾時，英國人會像設定好的一樣燒水泡茶。當數百萬個這樣的電熱水壺同時開啟時，電力需求非常龐大，可以達到數百甚至數千兆瓦。
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電力在電網中幾乎是瞬間傳輸的。此時此刻我們從插座中獲取的電力，背後一定對應著電網另一端的某臺或某幾臺電源，不論是傳統的發電機組，還是更新穎的光伏電站、儲能電池。電力的生產和消費都是即時的。如果電網的電力需求突然超出電力供應能力，發電機組受到的阻力會增大，轉速逐漸降低，連帶著整個電網的頻率也會降低。各國電網都是針對特定頻率的交流電設計的，對英國電網來說，交流電頻率只能在49.5赫茲到50.5赫茲之間波動，如果頻率超出這個範圍，電網就無法維持正常執行，可能會導致區域性停電，甚至整個電網崩潰。
所以，電網必須預測電力需求的變化，還要調配足夠的電力供應來滿足激增的電力需求。為了面對TV pickup的挑戰，英國國家電網不得不成為世界上最瞭解英國電視節目單的存在。他們會研究電視節目單，監控熱門電視劇的劇情，並預測觀眾對體育比賽的反應。他們的使命很簡單：不論電視劇的雷點、爆點有多少，不論比賽多麼激烈，都要確保電力供應不出問題。但這種預測並不一定符合工程師的胃口。2013年，英國國家電網運營負責人奈傑爾·威廉斯（Nigel Williams）就曾表示：“《一擲千金》帶來的TV pickup高得驚人，這也太讓人傷心了。”總之，電網的工程師需要弄明白：下一集電視劇會丟擲一個大的懸念嗎？下一場歐洲盃會進入加時賽嗎？如果是的話，趕緊準備備用電源吧！
對英國電網來說，最重要的備用電源之一就是位於英國威爾士的Dinorwig電站。它可以在12秒內建立1320兆瓦的電力供應，是世界上響應速度最快的發電站之一。Dinorwig電站是一座抽水蓄能電站，有高低兩個水庫，上水庫海拔636米，下水庫海拔100米。在用電低谷、電價較低時，它會用電將下水庫的水抽到上水庫中；在用電高峰、電價較高時，它會把上水庫中的水放到下水庫中發電。一來一回，發電站的平均效率可以達到74%到76%之間。
英國Dinorwig電站是一座抽水蓄能電站。圖片來源：Denis Egan/Wikipedia
當英國電網的工程師預測到TV pickup時，他們就會通知Dinorwig電站，讓電站以較低的功率發電，當TV pickup來臨時，電站便能迅速調整到滿負荷執行，向電網提供電力供應。在上水庫存滿水時，Dinorwig電站可以以最大功率執行6小時左右。不過Dinorwig電站一般也不需要滿負荷執行這麼久——因為一壺水幾分鐘就燒開了。就算電力需求沒有降低的趨勢，幾個小時的時間也足夠火電站調整自己的輸出功率了。此外，英國還能透過海底電纜從法國和荷蘭進口電力。
令人燒水泡茶的時刻
如果用TV pickup的程度來衡量哪些時刻最令英國人印象深刻，那可能沒有什麼能超過1990年世界盃，英格蘭和西德的半決賽了。這場比賽從頭到尾都扣人心絃，並且在120分鐘的鏖戰之後雙方比分仍是1:1，局勢升級到點球大賽。隨著克里斯·沃德爾（Chris Waddle）將足球踢飛，點球大賽比分定格在西德對英格蘭4:3，英格蘭衝擊世界盃的夢想隨之終結。終場哨聲響起，全英國淚水湧動，數百萬人需要片刻時間平復心情，結果他們統統去燒水泡茶了！由此產生了高達2800兆瓦的TV pickup，堪稱歷史之最。
研究中雞胚胎的羽毛生長過程（圖片來源：原論文）
電視劇也會引發TV pickup。比如1984年《荊棘鳥》（The Thorn Birds）最後一集的劇情堪稱炸裂：一位神父和一名年輕女子萌生了禁忌之戀，情感逐漸達到高潮，當片尾字幕開始滾動時，觀眾們集體鬆了一口氣——然後他們就去泡茶了。電網出現了2600兆瓦的TV pickup。近幾年，世界人民紛紛選擇了流媒體，蹲在電視機前等電視劇開播的人越來越少了。這在一定程度上緩解了電視劇帶來的TV pickup現象，但涉及到足球比賽這樣的大型賽事及事件時，TV pickup仍會發生。
英國王室的重大事件對英國民眾來說也是重大事件。例如1981年，當時查爾斯王子和黛安娜王妃的盛大婚禮引來了數百萬電視觀眾。當新婚夫婦在陽臺上親吻時，英國民眾選取了最英國的慶祝方式——燒水泡茶，電網迎來了1800兆瓦的TV pickup。
新能源的挑戰
如果僅僅是TV pickup，英國電網還能應對。但近些年新能源的推廣，給英國、乃至世界各國的電網都提出了新的挑戰，甚至引發了大型停電事故。
傳統電網中的電源是帶有旋轉結構（轉子）的發電機，它們直接輸出交流電。因為發電機們的轉子本身質量較大，當電力供需不平衡時，本身就具有一定抵抗轉速變化的能力，這也被稱為電網的轉動慣量。但對於光伏這樣的新能源，它直接產生的是直流電，需要經過逆變器的轉換才能形成交流電。就算是旋轉的風力發電機，它通常也會將旋轉產生的交流電先轉換成直流電，再由逆變器轉換成交流電，用這種方法降低風力不可控的影響。逆變器本質上是透過快速開閉電路，用頻繁變化的調製波形擬合出交流電的正弦波形，本身不具備轉動慣量。隨著新能源佔比提高，電網整體的轉動慣量也在快速下滑，這對電網的穩定執行提出了更高的挑戰。
2019年英國的停電是一個典型的案例。2019年8月9日下午，英國部分電網遭受雷擊，雷擊線路主動斷開，部分新能源電站執行保護動作，英國電網電力供應損失了150兆瓦。一般而言，這對英國電網是可以接受的，只要20秒後雷擊線路自動重新連線，一切都會恢復正常。
此時，英格蘭東海外120千米處，英國Hornsea海上風電場正在發電，它整體的轉動慣量比傳統電站小得多。雷擊後0.3秒，電網波動觸發了它的保護程式，英國電網又損失了737兆瓦的電力供應，電力波動進一步擴大。雷擊後0.5秒，電網頻率急速下降，觸發了更多分散式電源的保護措施。雷擊後僅僅0.5秒，英國電網就損失了1481兆瓦的能量供應，大約相當於英國電網總功率的7%，電網頻率逐漸跌向崩潰的邊緣。
雖然英國電網很快就啟動了應急程式，但仍擋不住巨大的電力缺口。電網頻率最終在雷擊76秒後擊穿了48.8赫茲的安全底線，觸發了電網的主動保護動作——英國電網主動切斷了全英國5%的電力供應，保護剩餘95%的電力供應。這導致英格蘭與威爾士大部分地區都出現了停電事故。當時是週五晚高峰時段，停電帶來的列車停運、訊號中斷給社會整體執行帶來了不小的影響。
梳理2019年英國停電事故的過程，可以提煉出以下過程：電網中新能源佔比提高後，電網整體轉動慣量下降，臨時電力波動更容易引發頻率的大幅波動——而這又會觸發電站自身的保護策略，讓電站主動脫網，這樣的連鎖反應會導致電網電力供應急速下滑，從而引發大停電。隨著新能源裝機佔比的提高，電網穩定性的挑戰會越來越大。
最近歐洲西班牙、葡萄牙的大停電雖然仍沒有最終的調查結果，但初步報告已經讓人不得不懷疑它與英國停電事故源於相似的流程。
2025年4月28日，歐洲伊比利亞半島遭遇大規模停電事故。在西班牙馬德里等主要城市，停電導致交通訊號燈失靈、火車停運、機場停飛，企業和學校也不得不關閉，約有6000萬人受到波及。西班牙和葡萄牙宣佈進入國家緊急狀態。事故發生後，西班牙和葡萄牙緊急展開聯合調查。初步報告顯示，此次大規模停電由電力供應的突然大幅下降引發。事故發生當天中午，電網在短短5秒內失去了15吉瓦（1吉瓦=1000兆瓦）的電力供應，相當於當時西班牙全國電力需求的60%。這超出了歐洲電網設計的應對範圍，直接導致西班牙和法國的跨境電力聯絡線跳閘，伊比利亞半島電力系統因此與歐洲主網脫離，西班牙—葡萄牙電網內部出現嚴重的供需失衡，進而發生電壓崩潰並全面停電。
而在停電前的6天，西班牙才剛剛慶祝其國家電網“首次在工作日實現100%可再生能源供電”。而可再生能源，尤其是風能和太陽能的轉動慣量很低，西班牙電網又沒有足夠的調節能力，抽水蓄能電站和化學電池儲能僅佔總裝機量的2.65%。電網微小的波動很容易在這種條件下引發大規模的事故。面對新能源的挑戰，逆變器等發電裝置自身的工作邏輯，以及整個電網的執行控制邏輯，都有待升級。（詳細可參考《環球科學》2024年8月刊P75-P77《中國電網轉型之路》）
所以，對於英國電網來說，事態的發展實在令人難以接受——流媒體剛能滿足英國人奇特的愛好，緩解了TV pickup帶來的衝擊，但新能源轉型卻馬上給了他們結實的一記重拳。
參考連結：
《環球科學》2024年8月號，《中國電網轉型之路》P75-P77
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