전력망 저전압 통과 능력 평가를 위한 암호화폐 채굴 부하의 전자기 과도 현상 모델링

1. 서론

재생에너지의 급속한 성장, 특히 텍사스주 ERCOT와 같은 전력망에서, 대규모·고에너지 소비 부하(예: 암호화폐 채굴 시설)의 출현과 동반되고 있습니다. 이러한 시설은 일반적으로 사이트당 75메가와트 이상의 전력을 필요로 하며, 새로운 유형의 전력망 참여자를 대표합니다. 기존 산업용 부하와 달리, 암호화폐 채굴기는 전력 전자 컨버터에 의해 전원이 공급되며, 인버터 기반 자원에 속합니다. 본 논문은 중요한 공백을 해결합니다: 이러한 대규모 비선형 부하가 전력망 교란 동안 전력망과 어떻게 상호작용하는지 이해하기 위한 상세한 전자기 과도 현상 모델의 부재, 특히 그들의 저전압 탈출 능력에 초점을 맞춥니다. 이는 전력망 안정성의 핵심 요구사항입니다.

2. 방법론 및 모델 개발

본 연구의 핵심은 암호화폐 채굴 부하를 위한 확장 가능한 전자기 과도 현상 모델을 개발하기 위해 전자기 과도 현상 프로그램 소프트웨어를 사용하는 것이다.

2.1 EMT 모델 아키텍처

이 모델은 대규모 운영에 사용되는 상용 ASIC(전용 집적 회로) 채굴기의 동작을 모의한다. 컨버터 기반 프론트엔드, 계산 부하의 동적 특성, 그리고 전력망 전압 변화에 대한 채굴기의 응답을 제어하는 논리를 포착한다. 이 모델은 모듈식 설계를 채택하여, 여러 채굴기 유닛을 집계하여 하나의 완전한 시설을 대표할 수 있도록 하여, 수백 메가와트에 이르는 이러한 부하가 송전 시스템 동적 특성에 미치는 영향을 연구할 수 있게 한다.

2.2 부하 특성 및 검증

모델 성능을 물리적 ASIC 채굴기와 교차 검증하였습니다. 일치하는 핵심 특성은 다음과 같습니다:

• 정상 상태 동작:고역률(약 0.995 진상).
• 과도/시동 특성:비선형 전류 소비 및 고조파 왜곡, 실험실 테스트 및 산업 시설 현장 측정 결과와 일치.
• LVRT 임계값:채굴기 전력전자장비가 입력 전압이 지나치게 낮아 작동을 중단하는 임계점.

3. 저전압 탈출 능력 평가

저전압 통과 능력(LVRT) – 전압 강하 시 계통 연계를 유지하는 능력 – 인버터 기반 자원의 연쇄 고장 방지에 중요합니다. 발전기에는 표준 요구사항이 있지만, 암호화폐 채굴기와 같은 대규모 인버터 기반 부하에는 현재 강제 규정이 없어 취약점을 초래합니다.

3.1 테스트 시나리오 및 고장 분석

검증된 모델은 다양한 고장 시나리오에서 테스트되었습니다:

• 현지 장애:채굴 시설 자체의 전기 인프라 내에서 발생하는 장애.
• 원격 전력망 장애:원격 송전망 버스에서 발생하는 고장으로, 부하가 네트워크를 통해 전파되는 전압 강하에 어떻게 반응하는지 테스트합니다.

3.2 성능 지표와 결과

본 연구는 채굴 부하의 저전압 탈출 능력을 정량화하고, 부하가 온라인 상태를 유지할 수 있는 전압-시간 곡선 경계를 확인했습니다. 결과는 채굴기가 내부 전원 공급 장치는 견고할 수 있지만, 계통 연결용 변환기가 특정 저전압 록아웃 설정을 가지고 있음을 시사할 수 있습니다. 전체 채굴장이 동시에 저전압 록아웃으로 인해 차단되어 수백 메가와트의 부하가 갑자기 손실되면, 상당한 부하-발전 불균형을 초래하여 주파수 급상승 및 추가적인 불안정을 유발할 수 있습니다. 이는 인버터 기반 발전에서 발생하는 문제와 유사합니다.

4. 기술 분석과 통찰

4.1 핵심 통찰

암호화폐 채굴 부하는 단순히 대규모 전력 소비자가 아닙니다; 그것들은잠재적 불안정 능력을 지닌 전력망 형태 형성자(그리드 포메이션 셰이퍼)입니다.그 인버터 기반 특성은 동기 발전기처럼 고유의 관성이나 고장 전류를 제공하지 않는다는 것을 의미합니다. 2022년 10월 텍사스 정전 사건(한 번의 전압 강하가 채굴기를 포함한 400MW의 부하 차단을 유발함)은 예외가 아닙니다 — 이는 현재의 전력망 모델이 통과하지 못한 스트레스 테스트였습니다. 본 논문의 전자기 과도 현상 모델은 다음 사건을 예측하는 첫 번째 핵심 도구입니다.

4.2 논리적 맥락

연구 논리는 완벽하다: 1) 알려진 사고 이력이 있지만 충분히 이해되지 않은 새로운 전력망 요소(암호화 부하)를 식별한다. 2) 단순화된 정적 모델을 버리고, 빠른 전력 전자 스위칭을 포착할 수 있는 동적 전자기 과도 현상 모델을 구축한다. 3) 하드웨어와 대조하여 검증한다——블랙박스를 배제한다. 4) 현실적인 전력망 고장 조건 하에서 스트레스 테스트를 수행한다. 5) 결론: 신뢰성을 위해, 모델을 확장하여 전체 시스템 연구에 통합하는 것은유익한, 게다가필요한현상에서 고충실도 시뮬레이션을 거쳐 실행 가능한 전력망 계획 인사이트로 이어집니다.

4.3 장점과 한계

장점:모델의 확장성과 EMTP 기반이 핵심 경쟁력입니다. 송전 계획자가 사용하는 툴킷에 직접 통합될 수 있습니다. 저전압 탈출(LVRT)에 대한 고려는 가장 직접적인 위협을 해결합니다. 실제 채굴기와의 검증은 의심의 여지 없는 신뢰도를 더합니다.

부족한 점:논문에서 언급되었으나 충분히 논의되지 않음제어 계층채굴기는 수익성 알고리즘에 따라 전압과 무관하게 밀리초 단위로 종료될 수 있다. 이러한 "경제적 트립"은 기술적인 저전압 순항 실패보다 더 파괴적일 수 있다. 또한 이 모델은 고조파 상호작용 및 차동기 진동 위험을 포함하도록 확장되어야 하며, 이는 북미 전력 신뢰성 협의회(North American Electric Reliability Corporation) 및 IEEE 전력 에너지 협회 문헌에 기록된 고비율 인버터 기반 자원 침투의 알려진 문제들이다.

4.4 실행 가능한 통찰

에 대한전력망 운영자(예: ERCOT): 대형 인버터 기반 부하(발전기뿐만 아니라)가 저전압 탈출 요구사항을 충족하도록 의무화합니다. 이 모델을 사용하여 모든 채굴 시설의 계통 연계 신청에 대해 의무적인 계통 연계 연구를 실시합니다. 에 대한채굴 회사: 운영 비용으로 전력망을 지원하는 컨버터 제어(예: 동적 전압 지원, 순시 정전)에 투자하는 것이 정전으로 인한 책임을 지는 것보다 더 저렴하다.연구원: 이 부하 모델을 복합 시스템 모델과 통합하여 높은 비율의 재생에너지와 높은 비율의 암호화폐 부하가 결합된 복합 불안정성을 연구한다. 다음 단계는 전체 채굴기 군집과 소프트웨어 기반 응답을 시뮬레이션하는 것으로, 이곳이 진정한 체계적 위험이 존재하는 부분이다.

5. 오리지널 분석: 전력망의 새로운 적인가, 새로운 동맹인가?

Samanta 등의 이 연구는 탈탄소화와 디지털화라는 이중 과제에 직면한 전력 시스템 분야에 시의적절하고 중요한 개입이다. 논문은 암호화폐 채굴 부하가 패러다임 전환적인 전력망 요소임을 정확히 지적한다. 그들의 높은 전력 밀도, 지리적 유연성 및 인버터 기반 아키텍처는 기존 산업 부하와 근본적으로 다르게 만든다. 확장 가능한 전자기 과도 현상 모델의 개발은 정적 또는 집계 부하 모델이 채울 수 없는 공백을 메우는 중요한 기술적 기여이다. 미국 에너지부의 'Grid Modernization Initiative'가 강조하듯, 새로운 부하의 동적 거동을 이해하는 것은 회복력 있는 전력망 구축에 필수적이다.

역사적 선례를 고려할 때, 본 연구가 저전압 순항(LVRT)에 주목한 것은 적절합니다. 2016년 남호주 대정전(호주 에너지 시장 운영기관의 심층 분석 대상)은 풍력발전단지 보호 설정이 전압 강하 시 연쇄적 차단을 유발하면서 발생했습니다. 이는 암호화폐 채굴 부하와의 유사성이 매우 뚜렷합니다. 본 논문의 모델은 계획자가 사후 분석과 유사한 사전 분석을 능동적으로 수행할 수 있게 합니다. 그러나 이 모델은 주로 "하드웨어" 응답을 다룹니다. 데이터센터 수요반응 연구에서 보듯, 더 큰 불확실성은 "소프트웨어" 또는 경제적 응답에 있습니다. 채굴기의 운영은 이익 함수 $\Pi = R(\text{코인 가격}) - C(\text{전기 요금})$ 에 의해 지배됩니다. 전력망 비상 시 전기 요금의 급등은 어떤 전압 강하보다 더 빠르게 조정된 정지를 유발할 수 있으며, 이러한 행동은 본 전자기 과도 현상 모델에는 포함되지 않았지만 완전한 그림을 위해 중요합니다.

또한, 논문이 텍사스주 ERCOT 전력망 맥락에서 전개한 논의는 매우 시사적입니다. ERCOT의 순수 에너지 시장과 재생에너지의 높은 비중은 이러한 연구를 위한 완벽한 실험실을 조성했습니다. 이 작업은 더 광범위한 추세, 즉 전력 시스템에서 네트워크 계층, 물리 계층 및 경제 계층의 융합을 부각시킵니다. 향후 모델은 본 모델과 같은 전자기 과도 동역학, 통신 네트워크 지연 및 에이전트 기반 경제 알고리즘을 통합한 공동 시뮬레이션 플랫폼으로 발전해야 합니다. 오직 그렇게 해야만 우리는 이러한 대규모 유연 부하가 빠른 수요반응을 제공할 수 있는 전력망 안정화 요소인지, 아니면 잠재적 불안정 요인인지 평가할 수 있습니다. 본 논문은 구축되어야 할 더 복잡한 분석을 위한 물리 계층의 기초를 제공합니다.

6. 기술 상세 및 수학 공식

전자기 과도 현상 모델은 ASIC 채굴기의 AC/DC 컨버터 전단의 스위칭 동역학을 포착합니다. 직류 링크 전압($V_{dc}$)을 유지하기 위한 컨버터 제어의 단순화된 표현은 $dq$ 좌표계에서의 표준 비례-적분 제어기를 사용하여 표현할 수 있습니다:

$\begin{aligned} i_{d}^{ref} &= K_{p}(V_{dc}^{ref} - V_{dc}) + K_{i} \int (V_{dc}^{ref} - V_{dc}) dt \\ i_{q}^{ref} &= 0 \quad \text{(用于单位功率因数控制)} \end{aligned}$

其中 $i_{d}^{ref}$ 和 $i_{q}^{ref}$ 是内环电流控制回路的参考电流。低电压穿越行为通过欠压保护逻辑建模，当测量的有效值电压 $V_{rms}$ 低于阈值 $V_{th}$ 且持续时间 $t > t_{delay}$ 时，该逻辑会禁用变流器脉冲：

$\text{欠压锁定跳闸信号} = \begin{cases} 1 & \text{若 } V_{rms} < V_{th} \text{ 且 } t \ge t_{delay} \\ 0 & \text{其他情况} \end{cases}$

ASIC 처리 유닛의 부하 동적 특성은 DC 버스 상의 정전력 부하($P_{load}$)로 표현되며, 소비 전류는 $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$입니다.

7. 실험 결과 및 도표 설명

제공된 PDF 발췌문에 구체적인 결과 도표는 나타나지 않지만, 핵심적인 실험 결과를 서술하고 있다:

• 그림 1 (인용): 텍사스주 록데일에 위치한 'Riot Platforms, Inc.' 채굴 시설의 사진 또는 개략도일 가능성이 있으며, 전용 750메가와트 변전소를 부각시켜 필요한 대규모 전력망 연계를 시각적으로 강조하고 있습니다.
• 그림 2 (인용): 물리적 채굴기(예: S9 AntMiner)의 실험실 테스트 결과로 기술되며, 전압 및 전류 파형을 보여줍니다. 핵심 발견은, 전원 전압이 정현파를 유지하는 동안(이상적인 전원에 연결된 상태),전류 파형은 기동 과도 기간 동안 현저한 왜곡을 나타냅니다. 이러한 비선형적이고 고조파가 풍부한 돌입 전류는 전자기 과도 현상 모델이 포착하는 핵심 세부 사항이지만, 정상 상태 모델은 종종 이를 간과합니다.
• Low Voltage Ride Through Capability Curve: 핵심 실험 결과는 전압(퍼유닛 값) 대 시간(초)의 곡선도로, 채굴 부하의 견디기 능력 한계를 정의합니다. 이 곡선은 특정 곡선(예: 0.5초 이상 동안 0.7 퍼유닛 미만으로 떨어지는 경우) 아래로 전압 강하를 유발하는 고장에 대해, 모델링된 채굴 부하가 차단되어 저전압 록아웃 트립을 시뮬레이션함을 보여줍니다. 발전기(예: ERCOT)의 저전압 견디기 요구사항과 비교하면 규정 준수 격차가 직관적으로 부각될 것입니다.

8. 분석 프레임워크: 비코드 사례 연구

시나리오: ERCOT의 송전 계획자가 138kV 버스에 연결된 새로운 300MW 암호화폐 채굴 시설을 평가하고 있습니다. 해당 버스에는 200MW 풍력 발전 단지도 연결되어 있습니다.

프레임워크 적용:

1. 모델 통합: 플래너는 본문의 확장 가능한 전자기 과도 현상 모델을 사용하여 300MW의 집계 채굴 부하 모델을 생성합니다. 이 모델은 풍력 발전단지의 상세 모델(자체 저전압 순항 제어 포함) 및 동기 발전기를 포함하는 더 큰 지역 전력망 전자기 과도 현상 모델에 통합됩니다.
2. 고장 정의: 심각한 고장 정의: 인근 송전선로에서 발생한 3상 고장으로, 차단기가 5사이클(0.083초) 내에 차단됩니다.
3. 시뮬레이션 및 분석: 전자기 과도현상 시뮬레이션을 실행하시오.
   • 관찰 A: 고장으로 인해 계통 연계 모선 전압이 0.1초 내에 0.45 퍼유(표幺值)로 급격히 하락하였다.
   • 관찰 B: 저전압 순항(LVRT) 기준을 충족하는 풍력발전단지는 계통에 연계된 상태를 유지하며 전압을 지지하려 시도한다.
   • 관찰 C: 전형적인 저전압 잠금 설정을 기반으로 한 채굴 부하 모델이 0.08초 시점에 저전압으로 인해 오프라인 트립되었습니다.
4. 영향 평가: 300MW 부하의 갑작스러운 손실로 인해 시스템 주파수가 급격히상승(예: 0.3Hz의 스파이크). 이러한 과주파는 다른 발전기 제어를 유발하거나, 최악의 경우 과주파 보호에 의한 풍력발전단지의 트립을 초래하여 연쇄 정전을 일으킬 수 있습니다.
5. 제안: 계획 전문가는 채굴 시설의 계통 연계 프로토콜에 특정 조건을 부가해야 한다고 제안합니다. 즉, 특정 저전압 견딤 곡선(예: 전압이 0.2 퍼유닛으로 낮아진 상황에서 최대 0.15초 동안 계통에 연결된 상태를 유지)을 충족하도록 변환기 제어를 수정하고, 시스템 모델을 재실행하여 안정성을 검증하도록 요구해야 합니다.

9. 미래 응용 및 연구 방향

• 전력망 규정 수립: 이 모델은 독립 시스템 운영자 및 규제 기관(예: 미국의 연방 에너지 관리 위원회)이 저전압 순항을 넘어 주파수 순항 및 동적 무효 전력 지원 능력을 포함하는 대규모, 유연한 인버터 기반 부하에 대한 의무적 기술 표준을 수립하고 입증하는 데 도움이 될 것입니다.
• 하이브리드 자원 모델링: 향후 작업에서는 채굴 부하 모델을 사용자 측 태양광+에너지 저장 장치와 같은 동일 위치 자원과 통합하여 독립 운전이 가능하거나 전력망 서비스를 제공할 수 있는 '프로슈머' 채굴 시설의 동적 특성을 연구할 것입니다.
• 정보-물리-경제 협동 시뮬레이션: 다음 개척 분야는 전자기 과도 상태 모델과 경제 에이전트 모델을 연결하는 것이다. 이는 실시간 전기 요금이나 블록체인 난이도 조정이 전체 채굴기 군집의 전력 소비에 어떻게 영향을 미치는지 시뮬레이션하여 시장 및 안정성 분석을 위한 디지털 트윈을 생성할 것이다.
• 다른 부하로 확장: 이 모델링 프레임워크는 전기차 충전소, 수소 전해조 및 기타 데이터 센터와 유사한 부하와 같은 대규모 인버터 기반 클러스터에도 적용 가능하며, 그들의 전력망 영향 평가를 위한 템플릿을 제공합니다.
• Hardware-in-the-loop 검증: 향후 연구에서는 시뮬레이션과 물리적 검증 간의 루프를 닫기 위해, 모델을 hardware-in-the-loop 설정에 배치하여 실제 채굴기 하드웨어와 전력망 보호 계전기가 시뮬레이션된 고장 시나리오에 어떻게 반응하는지 테스트해야 합니다.

10. 참고문헌

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