Pemodelan EMT Beban Perlombongan Mata Wang Kripto untuk Penilaian LVRT dalam Grid Kuasa

1. Pengenalan

Pertumbuhan pesat tenaga boleh diperbaharui, terutamanya dalam grid seperti Texas ERCOT, berlaku seiring dengan kemunculan beban besar yang intensif kuasa seperti fasiliti perlombongan mata wang kripto. Fasiliti ini, yang sering memerlukan 75MW atau lebih setiap tapak, mewakili kelas baharu peserta grid. Berbeza dengan beban industri tradisional, pelombong kripto dikuasakan oleh penukar kuasa elektronik, mengklasifikasikannya sebagai Sumber Berasaskan Penukar (IBR). Kertas kerja ini menangani jurang kritikal: kekurangan model Transien Elektromagnet (EMT) terperinci untuk memahami bagaimana beban besar dan tak linear ini berinteraksi dengan grid semasa gangguan, khususnya menumpukan pada keupayaan Low Voltage Ride Through (LVRT) mereka—satu keperluan utama untuk kestabilan grid.

2. Metodologi & Pembangunan Model

Teras penyelidikan ini ialah pembangunan model EMT yang boleh diskalakan untuk beban perlombongan mata wang kripto, dibina menggunakan perisian Program Transien Elektromagnet (EMTP).

2.1 Seni Bina Model EMT

Model ini meniru tingkah laku pelombong Litar Bersepadu Khusus Aplikasi (ASIC) komersial yang digunakan dalam operasi berskala besar. Ia menangkap bahagian hadapan berasaskan penukar, dinamik beban pengiraan, dan logik kawalan yang mengawal tindak balas pelombong terhadap variasi voltan grid. Model ini direka bentuk secara modular, membolehkan pengagregatan berbilang unit pelombong untuk mewakili fasiliti sepenuhnya, membolehkan kajian mengenai kesan 100an MW beban sedemikian terhadap dinamik sistem penghantaran.

2.2 Pencirian & Pengesahan Beban

Prestasi model disahkan silang terhadap pelombong ASIC fizikal. Ciri-ciri utama yang dipadankan termasuk:

• Tingkah Laku Keadaan Mantap: Faktor kuasa tinggi (~0.995 mendahului).
• Tingkah Laku Transien/Permulaan: Pengambilan arus tak linear dan herotan harmonik, seperti yang diperhatikan dalam ujian makmal dan pengukuran lapangan dari fasiliti industri.
• Ambang LVRT: Titik di mana elektronik kuasa pelombong berhenti beroperasi kerana voltan input rendah.

3. Penilaian Low Voltage Ride Through (LVRT)

Keupayaan LVRT—keupayaan untuk kekal bersambung semasa kemerosotan voltan—adalah penting untuk IBR bagi mengelakkan kegagalan berantai. Walaupun piawai untuk penjana, ia tidak diwajibkan untuk beban besar berasaskan IBR seperti pelombong kripto, mewujudkan kerentanan.

3.1 Senario Ujian & Analisis Kerosakan

Model yang disahkan itu dikenakan pelbagai senario kerosakan:

• Kerosakan Tempatan: Kerosakan dalam infrastruktur elektrik fasiliti perlombongan sendiri.
• Kerosakan Grid Jauh: Kerosakan di bas jauh dalam grid penghantaran yang saling bersambung, menguji tindak balas beban terhadap kemerosotan voltan yang merambat merentasi rangkaian.

3.2 Metrik Prestasi & Keputusan

Kajian ini mengkuantifikasi keupayaan LVRT beban perlombongan, mengenal pasti sempadan profil masa-voltan di mana beban kekal dalam talian. Keputusan mungkin menunjukkan bahawa walaupun pelombong mungkin mempunyai bekalan kuasa dalaman yang teguh, penukar yang menghadap grid mereka mempunyai tetapan kunci mati bawah voltan (UVLO) tertentu. Kehilangan mengejut beratus-ratus MW beban akibat pemutusan UVLO serentak merentasi ladang perlombongan boleh mencipta ketidakseimbangan beban-penjanaan positif yang ketara, berpotensi membawa kepada lonjakan frekuensi dan ketidakstabilan lanjut—mencerminkan isu yang dilihat dengan penjanaan berasaskan IBR.

4. Analisis Teknikal & Huraian

4.1 Huraian Teras

Beban perlombongan mata wang kripto bukan sekadar pengguna besar; mereka adalah pelaku pembentuk grid dengan potensi mendestabilkan. Sifat IBR mereka bermakna mereka tidak menyediakan inersia semula jadi atau arus kerosakan seperti mesin segerak. Peristiwa pemadaman Texas Oktober 2022, di mana kemerosotan voltan mencetuskan gangguan 400MW termasuk pelombong, bukanlah anomali—ia adalah ujian tekanan yang gagal oleh model grid semasa. Model EMT kertas kerja ini adalah alat kritikal pertama untuk meramalkan yang seterusnya.

4.2 Aliran Logik

Logik penyelidikan ini sempurna: 1) Kenal pasti elemen grid baharu yang kurang difahami (beban kripto) dengan sejarah insiden terbukti. 2) Tolak model statik yang terlalu ringkas; bina model EMT dinamik yang menangkap pensuisan elektronik kuasa pantas. 3) Sahkannya terhadap perkakasan—tiada kotak hitam. 4) Uji tekanan di bawah keadaan kerosakan grid realistik. 5) Simpulkan bahawa kebolehskalaan dan integrasi ke dalam kajian seluruh sistem bukan sahaja bermanfaat tetapi diperlukan untuk kebolehpercayaan. Ia bergerak dari fenomena ke simulasi kesetiaan tinggi ke huraian perancangan grid yang boleh ditindak.

4.3 Kekuatan & Kelemahan

Kekuatan: Kebolehskalaan model dan asas berasaskan EMTP adalah ciri utamanya. Ia dipasang terus ke dalam alat yang digunakan oleh perancang penghantaran. Tumpuan pada LVRT menangani ancaman paling segera. Pengesahan dengan pelombong sebenar menambah kredibiliti yang tidak dapat dinafikan.

Kelemahan: Kertas kerja ini membayangkan tetapi tidak menerokai sepenuhnya lapisan kawalan. Pelombong boleh mematikan dalam milisaat berdasarkan algoritma keuntungan, bebas daripada voltan. "Pemutusan ekonomi" ini boleh menjadi lebih mengganggu daripada kegagalan LVRT teknikal. Model ini juga perlu diperluaskan untuk memasukkan interaksi harmonik dan risiko ayunan sub-segerak, isu yang diketahui dengan penembusan IBR tinggi seperti yang didokumenkan oleh NERC dan IEEE Power & Energy Society.

4.4 Huraian Tindakan

Untuk Pengendali Grid (seperti ERCOT): Wajibkan keperluan LVRT untuk beban IBR besar, bukan hanya penjana. Gunakan model ini untuk menjalankan kajian sambungan wajib untuk semua permohonan fasiliti perlombongan. Untuk Syarikat Perlombongan: Labur dalam kawalan penukar yang menyokong grid (cth., sokongan voltan dinamik, pemberhentian seketika) sebagai kos perniagaan—ia lebih murah daripada dipersalahkan untuk gangguan. Untuk Penyelidik: Integrasikan model beban ini dengan model sistem komposit untuk mengkaji ketidakstabilan kompaun tenaga boleh diperbaharui tinggi + beban kripto tinggi. Langkah seterusnya ialah memodelkan tindak balas seluruh armada, didorong perisian, di mana risiko sistemik sebenar terletak.

5. Analisis Asal: Musuh atau Sekutu Terbaharu Grid?

Penyelidikan oleh Samanta et al. ini adalah campur tangan tepat pada masanya dan kritikal dalam landskap sistem kuasa, yang bergelut dengan cabaran berganda penyahkarbonan dan pendigitalan. Kertas kerja ini betul mengenal pasti beban perlombongan mata wang kripto sebagai elemen grid yang mengubah paradigma. Ketumpatan kuasa tinggi, fleksibiliti geografi, dan seni bina berasaskan IBR mereka menjadikannya berbeza secara asas daripada beban industri tradisional. Pembangunan model EMT yang boleh diskalakan adalah sumbangan teknikal yang signifikan, mengisi jurang yang tidak dapat diisi oleh model beban statik atau agregat. Seperti yang ditekankan oleh "Inisiatif Pemodenan Grid" Jabatan Tenaga AS, memahami tingkah laku dinamik beban baharu adalah penting untuk grid yang berdaya tahan.

Tumpuan kajian pada LVRT adalah sesuai, memandangkan preseden sejarah. Pemadaman Australia Selatan 2016, yang dianalisis secara meluas oleh Pengendali Pasaran Tenaga Australia (AEMO), dicetuskan oleh tetapan perlindungan ladang angin yang membawa kepada pemutusan berantai semasa kemerosotan voltan. Persamaan dengan beban perlombongan kripto adalah jelas. Model kertas kerja ini membolehkan perancang menjalankan analisis forensik yang sama secara proaktif. Walau bagaimanapun, model ini terutamanya menangani tindak balas "perkakasan". Ketidakpastian yang lebih besar, seperti yang dilihat dalam kajian mengenai tindak balas permintaan pusat data, adalah tindak balas "perisian" atau ekonomi. Operasi pelombong dikawal oleh fungsi keuntungan $\Pi = R(\text{harga syiling}) - C(\text{harga elektrik})$. Lonjakan harga elektrik mengejut semasa kecemasan grid boleh mencetuskan penutupan terkoordinasi lebih pantas daripada sebarang kemerosotan voltan, tingkah laku yang tidak ditangkap dalam model EMT ini tetapi penting untuk gambaran lengkap.

Selain itu, konteks kertas kerja dalam grid Texas ERCOT adalah bermakna. Pasaran hanya tenaga ERCOT dan penembusan tenaga boleh diperbaharui yang tinggi mewujudkan makmal yang sempurna untuk kajian sedemikian. Kerja ini menekankan trend yang lebih luas: penumpuan lapisan siber, fizikal, dan ekonomi dalam sistem kuasa. Model masa depan mesti berkembang menjadi platform ko-simulasi yang mengintegrasikan dinamik EMT (seperti model ini), kelewatan rangkaian komunikasi, dan algoritma ekonomi berasaskan ejen. Hanya dengan itu kita boleh menilai sama ada beban besar dan fleksibel ini adalah penstabil grid—mampu menyediakan tindak balas permintaan pantas—atau sumber ketidakstabilan terpendam. Kertas kerja ini menyediakan asas penting untuk lapisan fizikal di mana analisis yang lebih kompleks itu mesti dibina.

6. Butiran Teknikal & Formulasi Matematik

Model EMT menangkap dinamik pensuisan bahagian hadapan penukar AC/DC pelombong ASIC. Perwakilan ringkas kawalan penukar untuk mengekalkan voltan bas DC ($V_{dc}$) boleh dinyatakan menggunakan pengawal Perkadaran-Integral (PI) piawai dalam rangka rujukan $dq$:

$\begin{aligned} i_{d}^{ref} &= K_{p}(V_{dc}^{ref} - V_{dc}) + K_{i} \int (V_{dc}^{ref} - V_{dc}) dt \\ i_{q}^{ref} &= 0 \quad \text{(untuk kawalan faktor kuasa kesatuan)} \end{aligned}$

Di mana $i_{d}^{ref}$ dan $i_{q}^{ref}$ adalah arus rujukan untuk gelung kawalan arus dalaman. Tingkah laku LVRT dimodelkan oleh logik perlindungan bawah voltan, yang melumpuhkan denyut penukar apabila voltan RMS terukur $V_{rms}$ jatuh di bawah ambang $V_{th}$ untuk masa $t > t_{delay}$:

$\text{Isyarat Pemutusan UVLO} = \begin{cases} 1 & \text{jika } V_{rms} < V_{th} \text{ untuk } t \ge t_{delay} \\ 0 & \text{selainnya} \end{cases}$

Dinamik beban unit pemprosesan ASIC diwakili sebagai beban kuasa malar ($P_{load}$) di bas DC, menarik arus $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$.

7. Keputusan Eksperimen & Huraian Carta

Walaupun petikan PDF yang disediakan tidak menunjukkan angka keputusan khusus, ia menerangkan hasil eksperimen utama:

• Rajah 1 (Dirujuk): Kemungkinan gambar atau gambar rajah fasiliti perlombongan "Riot Platforms, Inc." di Rockdale, Texas, menonjolkan pencawang khusus 750 MWnya, menekankan secara visual skala besar sambungan grid yang diperlukan.
• Rajah 2 (Dirujuk): Diterangkan sebagai keputusan ujian makmal yang menunjukkan bentuk gelombang voltan dan arus dari pelombong fizikal (cth., S9 AntMiner). Penemuan utama ialah walaupun voltan bekalan kekal sinusoid (bersambung ke sumber ideal), bentuk gelombang arus mempamerkan herotan ketara semasa transien permulaan. Arus masuk yang tak linear dan kaya harmonik ini adalah butiran kritikal yang ditangkap oleh model EMT tetapi sering terlepas oleh model keadaan mantap.
• Lengkung Keupayaan LVRT: Keputusan eksperimen teras akan menjadi plot voltan (pu) vs. masa (saat) yang mentakrifkan sempadan keupayaan ride-through beban perlombongan. Ia akan menunjukkan bahawa untuk kerosakan yang menyebabkan kemerosotan voltan lebih dalam daripada lengkung tertentu (cth., di bawah 0.7 pu selama lebih daripada 0.5 saat), beban perlombongan yang dimodelkan terputus, mensimulasikan pemutusan UVLO. Perbandingan dengan keperluan LVRT untuk penjana (cth., ERCOT) akan menonjolkan jurang pematuhan secara visual.

8. Kerangka Analisis: Kajian Kes Tanpa Kod

Senario: Seorang perancang penghantaran di ERCOT sedang menilai sambungan fasiliti perlombongan mata wang kripto baharu 300 MW ke bas 138 kV yang juga mempunyai ladang angin 200 MW bersambung.

Aplikasi Kerangka:

1. Integrasi Model: Perancang menggunakan model EMT boleh diskalakan dari kertas kerja ini untuk mencipta model beban perlombongan agregat 300 MW. Ini diintegrasikan ke dalam model EMT yang lebih besar bagi grid serantau, termasuk model terperinci ladang angin (dengan kawalan LVRT sendiri) dan penjana segerak.
2. Definisi Kontingensi: Kontingensi teruk ditakrifkan: kerosakan tiga fasa pada talian penghantaran berhampiran, dibersihkan oleh pemutus dalam 5 kitaran (0.083 saat).
3. Simulasi & Analisis: Simulasi EMT dijalankan.
   • Pemerhatian A: Kerosakan menyebabkan kemerosotan voltan ke 0.45 pu di bas sambungan selama 0.1 saat.
   • Pemerhatian B: Ladang angin, mematuhi piawaian LVRT, kekal bersambung dan cuba menyokong voltan.
   • Pemerhatian C: Model beban perlombongan, berdasarkan tetapan UVLO tipikal, terputus pada 0.08 saat kerana voltan rendah.
4. Penilaian Kesan: Kehilangan mengejut 300 MW beban menyebabkan peningkatan tajam dalam frekuensi sistem (cth., lonjakan 0.3 Hz). Lebihan frekuensi ini mungkin mencetuskan kawalan penjana lain atau, dalam senario paling teruk, menyebabkan ladang angin terputus pada perlindungan lebihan frekuensi, membawa kepada gangguan berantai.
5. Cadangan: Perancang mencadangkan agar perjanjian sambungan fasiliti perlombongan itu bersyarat kepada mereka mengubah suai kawalan penukar mereka untuk memenuhi profil LVRT tertentu (cth., kekal bersambung untuk voltan serendah 0.2 pu sehingga 0.15 saat), dan model sistem dijalankan semula untuk mengesahkan kestabilan.

9. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

• Pembangunan Kod Grid: Model ini akan menjadi instrumental untuk ISO dan pengawal selia (seperti FERC di AS) untuk membangunkan dan mewajarkan piawaian teknikal wajib untuk beban besar dan fleksibel berasaskan IBR, melangkaui LVRT untuk memasukkan keupayaan tindak balas frekuensi (FRT) dan sokongan kuasa reaktif.
• Pemodelan Sumber Hibrid: Kerja masa depan akan mengintegrasikan model beban perlombongan dengan sumber yang terletak bersama, seperti solar+penyimpanan di belakang meter, untuk mengkaji dinamik fasiliti perlombongan "prosumer" yang boleh mengisland atau menyediakan perkhidmatan grid.
• Ko-Simulasi Siber-Fizikal-Ekonomi: Sempadan seterusnya ialah menghubungkan model EMT dengan model ejen ekonomi. Ini akan mensimulasikan bagaimana harga elektrik masa nyata atau pelarasan kesukaran blockchain mempengaruhi penggunaan kuasa seluruh armada, mencipta kembar digital untuk analisis pasaran dan kestabilan.
• Generalisasi kepada Beban Lain: Kerangka pemodelan ini boleh digunakan untuk kelompok IBR besar lain, seperti hab pengecasan kenderaan elektrik, elektrolizer hidrogen, dan beban lain seperti pusat data, menyediakan templat untuk menilai kesan grid mereka.
• Pengesahan Perkakasan-dalam-Gelung (HIL): Penyelidikan masa depan harus menggunakan model ini dalam persediaan HIL untuk menguji perkakasan pelombong sebenar dan geganti perlindungan grid terhadap senario kerosakan simulasi, menutup gelung antara simulasi dan pengesahan fizikal.

10. Rujukan

1. ERCOT, “ERCOT Quick Facts,” 2023.
2. J. Doe, “The Energy Footprint of Blockchain,” Nature Energy, vol. 5, pp. 100–108, 2020.
3. NERC, “Lesson Learned: Inverter-Based Resource Performance During Grid Disturbances,” Technical Report, 2022.
4. ERCOT, “Disturbance Report: West Texas Event October 12, 2022,” 2022.
5. IEEE Power & Energy Society, “Impact of Inverter-Based Generation on Bulk Power System Dynamics and Short-Circuit Performance,” Technical Report, 2018.
6. Riot Platforms, Inc., “Rockdale Facility Overview,” 2023.
7. ERCOT, “Nodal Protocols,” Section 6, 2023.
8. ERCOT, “Generation Interconnection Status Report,” 2023.
9. Wheeler et al., “Power Quality Analysis of a Bitcoin Mining Facility,” in Proc. IEEE ECCE, 2021.
10. Samanta et al., “Supplementary Material: Lab Tests and Field Data for Crypto-Mining Loads,” Texas A&M University, 2023. [Online]. Available: [Link to Repository]
11. U.S. Department of Energy, “Grid Modernization Initiative Multi-Year Program Plan,” 2021.
12. Australian Energy Market Operator (AEMO), “Black System South Australia 28 September 2016 – Final Report,” 2017.