Kripto Para Madenciliği Yükünün Elektromanyetik Geçici Durum Modellemesi ile Şebeke Düşük Gerilim Geçiş Yeteneği Değerlendirmesi

1. Giriş

Yenilenebilir enerjideki hızlı büyüme, özellikle Teksas ERCOT gibi şebekelerde, büyük, yüksek enerji tüketimli yüklerin (kripto para madenciliği tesisleri gibi) ortaya çıkışıyla birlikte gerçekleşmektedir. Bu tesisler genellikle site başına 75 megavat veya daha yüksek güç gerektirir ve yeni bir şebeke katılımcısı sınıfını temsil eder. Geleneksel endüstriyel yüklerin aksine, kripto para madencisi makineler, güç elektroniği dönüştürücüleriyle beslenir ve inverter tabanlı kaynaklar kategorisine girer. Bu makale, önemli bir boşluğu ele almaktadır: bu büyük ölçekli doğrusal olmayan yüklerin şebeke bozulmaları sırasında şebekeyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak için detaylı elektromanyetik geçici durum modellerinin eksikliği, özellikle de düşük gerilim geçiş yeteneklerine odaklanarak – bu, şebeke kararlılığı için kritik bir gerekliliktir.

2. Metodoloji ve Model Geliştirme

Bu çalışmanın temeli, kripto para madencilik yükü için ölçeklenebilir bir elektromanyetik geçici durum modeli geliştirmek üzere bir elektromanyetik geçici durum programı yazılımı kullanmaktır.

2.1 EMT Model Mimarisi

Bu model, büyük ölçekli operasyonlarda kullanılan ticari ASIC madencilerinin davranışını simüle etmektedir. Konvertör tabanlı ön ucu, hesaplama yükünün dinamiklerini ve şebeke voltajı değişikliklerine madencinin tepkisini kontrol eden mantığı yakalar. Modüler tasarımı, birden fazla madencilik ünitesinin birleştirilerek tam bir tesisi temsil etmesine izin verir, böylece bu tür yüzlerce megavatlık yüklerin iletim sistemi dinamikleri üzerindeki etkisinin incelenmesini mümkün kılar.

2.2 Yük Karakteristiği ve Doğrulama

Model performansı, fiziksel ASIC madencilik cihazları ile çapraz doğrulamaya tabi tutulmuştur. Eşleşen kilit özellikler şunları içerir:

• Kararlı Durum Davranışı:Yüksek güç faktörü (yaklaşık 0.995 ileri).
• Geçici/başlatma davranışı:Doğrusal olmayan akım tüketimi ve harmonik bozulma, laboratuvar testleri ve endüstriyel tesislerdeki saha ölçüm sonuçları ile uyumlu.
• LVRT eşiği:Madenci ekipmanının güç elektroniğinin, giriş voltajının çok düşük olması nedeniyle çalışmayı durdurduğu kritik nokta.

3. Düşük Gerilim Geçiş Kabiliyeti Değerlendirmesi

Düşük voltaj geçiş yeteneği – voltaj düşüşleri sırasında şebekeye bağlı kalma kabiliyeti – invertör tabanlı kaynaklar için zincirleme arızaları önlemede hayati öneme sahiptir. Jeneratörler için standart gereklilikler bulunsa da, kripto para madenciliği ekipmanları gibi büyük ölçekli invertör tabanlı yükler için zorunlu düzenlemeler bulunmamaktadır; bu da bir güvenlik açığı oluşturmaktadır.

3.1 Test Senaryosu ve Arıza Analizi

Doğrulanmış model, çeşitli arıza senaryoları altında test edilmiştir:

• Yerel Arıza:Madencilik tesisinin kendi elektrik altyapısı içinde meydana gelen arıza.
• Uzak Şebeke Arızası:Uzak iletim şebekesi barasındaki bir arıza, yükün şebeke üzerinden yayılan gerilim düşümüne tepkisini test eder.

3.2 Performans Metrikleri ve Sonuçlar

Bu çalışma, madencilik yükünün düşük gerilimden geçiş (LVRT) kapasitesini ölçerek, yükün şebekede çevrimiçi kalmasını sağlayan gerilim-zaman eğrisi sınırını belirlemiştir. Sonuçlar, madencilerin sağlam bir dahili güç kaynağına sahip olabileceğini, ancak şebekeye yönelik dönüştürücülerinin belirli bir undervoltage-lockout (UVLO) ayarı olduğunu gösterebilir. Tüm bir maden sahasında eşzamanlı UVLO atlaması nedeniyle yüzlerce megavatlık yükün aniden kaybı, önemli bir yük-üretim pozitif dengesizliğine yol açarak frekans yükselmelerine ve daha fazla kararsızlığa neden olabilir – bu, inverter tabanlı üretimde karşılaşılan soruna benzer.

4. Teknik Analiz ve Görüşler

4.1 Temel Görüşler

Kripto para madenciliği yükleri sadece büyük tüketiciler değildir; bunlarPotansiyel kararsızlaştırma yeteneğine sahip şebeke şekillendiricileridir.İnvertör tabanlı doğaları, senkron motorlar gibi doğal atalet veya arıza akımı sağlamadıkları anlamına gelir. Ekim 2022 Teksas kesintisi (bir voltaj düşüşünün madenciler de dahil 400 MW'lık bir kesinti tetiklemesi) bir istisna değildi – bu, mevcut şebeke modellerinin geçemediği bir stres testiydi. Bu makaledeki elektromanyetik geçici durum modeli, bir sonraki olayı tahmin etmek için ilk kritik araçtır.

4.2 Mantıksal Çerçeve

Araştırma mantığı kusursuzdur: 1) Kaza geçmişi bilinen, yeterince anlaşılmamış yeni bir şebeke bileşenini (kripto yükü) tanımla. 2) Basitleştirilmiş statik modelleri bir kenara bırak; hızlı güç elektroniği anahtarlamasını yakalayan dinamik bir elektromanyetik geçici durum modeli kur. 3) Donanımla karşılaştırarak doğrula — kara kutuya izin verme. 4) Gerçekçi şebeke arıza koşullarında stres testi yap. 5) Sonuca var: Güvenilirlik için, modeli genişletmek ve tam sistem çalışmalarına entegre etmek sadecefaydalı değil, aynı zamandaGerekliOlgudan yüksek doğruluklu simülasyona ve ardından uygulanabilir şebeke planlama içgörülerine geçiş yapar.

4.3 Avantajlar ve Eksiklikler

Avantajlar:Modelin ölçeklenebilirliği ve EMTP tabanlı olması onun en güçlü yanıdır. Doğrudan iletim planlamacılarının kullandığı araç takımına entegre edilebilir. Düşük voltajda devam etme (LVRT) odak noktası, en acil tehdidi ele almaktadır. Gerçek madencilik cihazlarıyla doğrulanması ise tartışmasız bir güvenilirlik katmaktadır.

Eksiklikler:Makalede bahsedilmiş ancak yeterince ele alınmamıştır.Kontrol katmanıMadenci donanımları, voltajdan bağımsız olarak, kârlılık algoritmalarına dayanarak milisaniyeler içinde kapatılabilir. Bu "ekonomik devre kesme", teknik bir düşük voltaj geçiş başarısızlığından daha yıkıcı olabilir. Model ayrıca, Kuzey Amerika Elektrik Güvenilirliği Kurumu ve IEEE Güç ve Enerji Topluluğu literatüründe belgelenen, yüksek oranda inverter tabanlı kaynak penetrasyonunun bilinen sorunları olan harmonik etkileşimleri ve senkron altı salınım risklerini içerecek şekilde genişletilmelidir.

4.4 Eyleme Dönüştürülebilir İçgörüler

İçinŞebeke Operatörleri (ör. ERCOT): Büyük, invertör tabanlı yüklerin (sadece jeneratörler değil) düşük gerilimde çalışmaya devam etme gereksinimlerini karşılamasını zorunlu kılın. Tüm madencilik tesislerinin şebekeye bağlantı başvuruları için bu modeli kullanarak zorunlu bağlantı çalışmaları yapın. İçinMadencilik Şirketi: Şebekeyi destekleyen invertör kontrollerine (dinamik voltaj desteği, anlık kesinti gibi) işletme maliyeti olarak yatırım yapmak – bu, kesinti nedeniyle sorumlu tutulmaktan daha ucuzdur. İçinAraştırmacılar: Bu yük modelini, yüksek oranda yenilenebilir enerji + yüksek oranda şifreleme yükünün bileşik kararsızlığını incelemek için bileşik sistem modeliyle entegre edin. Bir sonraki adım, tüm madencilik makinesi filosunu ve yazılım odaklı tepkisini simüle etmektir; gerçek sistemik risk buradadır.

5. Özgün Analiz: Elektrik Şebekesinin Yeni Düşmanı mı, Yoksa Yeni Müttefiği mi?

Samanta ve diğerlerinin bu çalışması, karbonsuzlaştırma ve dijitalleşme ikili zorluğuyla karşı karşıya olan elektrik sistemleri alanına zamanında ve kritik bir müdahaledir. Makale, kripto para madenciliği yükünün bir paradigma değişimi şebeke unsuru olduğunu doğru bir şekilde belirtmektedir. Yüksek güç yoğunlukları, coğrafi esneklikleri ve inverter tabanlı mimarileri, onları geleneksel endüstriyel yüklerden temelde farklı kılar. Ölçeklenebilir elektromanyetik geçici durum modelinin geliştirilmesi, statik veya toplu yük modellerinin dolduramadığı bir boşluğu dolduran önemli bir teknik katkıdır. ABD Enerji Bakanlığı'nın "Şebeke Modernizasyon Girişimi"nin vurguladığı gibi, yeni yüklerin dinamik davranışını anlamak, dirençli bir şebeke inşa etmek için çok önemlidir.

Tarihsel örnekler göz önüne alındığında, çalışmanın düşük gerilim geçişine odaklanması uygundur. 2016 Güney Avustralya eyalet geneli elektrik kesintisi (Avustralya Enerji Piyasası Operatörü tarafından derinlemesine analiz edilmiştir), gerilim düşüşleri sırasında zincirleme devre kesmelerine yol açan rüzgar çiftliği koruma ayarlarından kaynaklanmıştır. Bu durumun kripto para madenciliği yükü ile benzerlikleri oldukça belirgindir. Bu makaledeki model, planlamacıların proaktif olarak benzer bir olay sonrası analiz yapmasını sağlar. Ancak, model esas olarak "donanım" tepkisini ele almaktadır. Veri merkezi talep tepkisi çalışmalarında görüldüğü gibi, daha büyük belirsizlik "yazılım" veya ekonomik tepkidir. Madenci cihazlarının çalışması, kâr fonksiyonu $\Pi = R(\text{coin fiyatı}) - C(\text{elektrik fiyatı})$ tarafından yönetilir. Şebeke acil durumlarında elektrik fiyatlarındaki ani yükselişler, herhangi bir gerilim düşüşünden daha hızlı bir şekilde koordineli kapanmaları tetikleyebilir. Bu davranış bu elektromanyetik geçici durum modeline dahil edilmemiştir, ancak bütünsel bir resim için çok önemlidir.

Ayrıca, makalenin Teksas ERCOT şebekesi bağlamındaki tartışması aydınlatıcıdır. ERCOT'un saf enerji piyasası ve yüksek yenilenebilir enerji penetrasyonu, bu tür çalışmalar için mükemmel bir laboratuvar ortamı yaratmaktadır. Bu çalışma, daha geniş bir eğilimi vurgulamaktadır: elektrik sistemlerinde ağ katmanı, fiziksel katman ve ekonomik katmanın birleşimi. Gelecekteki modeller, elektromanyetik geçici durum dinamiklerini (bu modelde olduğu gibi), iletişim ağı gecikmelerini ve temelli ajan ekonomik algoritmalarını entegre eden bir ortak simülasyon platformuna dönüşmelidir. Ancak o zaman, bu büyük ölçekli, esnek yüklerin şebeke stabilizatörleri mi (hızlı talep tepkisi sağlayabilen) yoksa potansiyel bir kararsızlık kaynağı mı olduğunu değerlendirebiliriz. Bu makale, oluşturulması gereken daha karmaşık analizler için fiziksel katmanın temelini sağlamaktadır.

6. Teknik Detaylar ve Matematiksel Formüller

Elektromanyetik geçici durum modeli, ASIC madencilerinin AC/DC dönüştürücülerinin giriş tarafındaki anahtarlama dinamiklerini yakalar. DC bara gerilimini ($V_{dc}$) sürdürmek için kullanılan dönüştürücü kontrolünün basitleştirilmiş temsili, $dq$ koordinat sistemindeki standart bir oransal-integral (PI) kontrolör kullanılarak ifade edilebilir:

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

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 işlem biriminin yük dinamikleri, doğru akım barası üzerinde sabit güç yükü ($P_{load}$) olarak temsil edilir ve tükettiği akım $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$ şeklindedir.

7. Deney Sonuçları ve Grafik Açıklamaları

Sağlanan PDF alıntısı spesifik sonuç grafiklerini göstermese de, kritik deneysel bulguları tanımlamaktadır:

• Şekil 1 (Alıntı): Texas, Rockdale'deki "Riot Platforms, Inc." madencilik tesisinin, özel 750 megavatlık trafo merkezini vurgulayan bir fotoğrafı veya şematik gösterimi olabilir; bu, gereken büyük ölçekli şebeke bağlantısını görsel olarak vurgulamaktadır.
• Şekil 2 (Alıntı): Fiziksel madencilik cihazlarından (örneğin S9 AntMiner) alınan laboratuvar test sonuçları olarak tanımlanmıştır; voltaj ve akım dalga formlarını göstermektedir. Temel bulgu, güç kaynağı voltajının sinüs dalgası şeklinde kaldığı (ideal bir kaynağa bağlı olmasına rağmen) ancakakım dalga formunun başlangıç geçici durumu sırasında belirgin bir bozulma sergilemesidir.. Bu doğrusal olmayan, harmonik açıdan zengin giriş akımı, elektromanyetik geçici durum modellerinin yakaladığı ancak kararlı durum modellerinin sıklıkla göz ardı ettiği kritik bir detaydır.
• Düşük voltaj geçiş yeteneği eğrisi: Çekirdek deneysel sonuç, madencilik yükünün dayanma kabiliyetinin sınırını tanımlayan, gerilim (birim değer) ve zaman (saniye) grafiği olacaktır. Grafik, gerilimi belirli bir eğrinin altına düşüren (örneğin, 0.5 saniyeden uzun süre 0.7 birim değerin altına) arızalar için modellenen madencilik yükünün devreyi açtığını, yani bir düşük gerilim kilitleme açmasını simüle ettiğini gösterecektir. Jeneratörlerin (örneğin ERCOT'un) düşük gerilimde kalma gereksinimleriyle karşılaştırma, uyumluluk farkını görsel olarak vurgulayacaktır.

8. Analiz Çerçevesi: Kod İçermeyen Bir Vaka Çalışması

Senaryo: ERCOT'un bir iletim planlamacısı, 138 kV'luk bir baraya bağlanacak yeni bir 300 MW kripto para madenciliği tesisini değerlendiriyor. Bu baraya ayrıca 200 MW'lık bir rüzgar çiftliği bağlı.

Çerçeve Uygulaması:

1. Model Entegrasyonu: Planlayıcı, bu makaledeki ölçeklenebilir elektromanyetik geçici durum modelini kullanarak 300 MW'lık bir toplu madencilik yük modeli oluşturur. Bu model, rüzgar çiftliğinin detaylı modelini (kendi alçak gerilim geçiş kontrolü ile birlikte) ve senkron jeneratörleri içeren daha büyük bir bölgesel şebeke elektromanyetik geçici durum modeline entegre edilir.
2. Arıza Tanımı: Yakındaki bir iletim hattında üç fazlı bir arıza meydana gelmesi ve devre kesicinin 5 çevrim (0.083 saniye) içinde temizlenmesi şeklinde ciddi bir arıza tanımlayın.
3. Simülasyon ve Analiz: Elektromanyetik geçici durum simülasyonunu çalıştırın.
   • Gözlem A: Arıza, şebekeye bağlı baranın geriliminin 0.1 saniye içinde 0.45 pu değerine kadar ani düşmesine neden oldu.
   • Gözlem B: Düşük gerilim geçiş standardına uyan rüzgar çiftliği şebekeye bağlı kalır ve gerilimi desteklemeye çalışır.
   • Gözlem C: Tipik düşük gerilim kilitleme ayarına dayalı madencilik yük modeli, 0.08 saniyede düşük gerilim nedeniyle offline devre dışı kaldı.
4. Etki Değerlendirmesi: 300 MW yükün ani kaybı, sistem frekansında keskin bir düşüşe neden oldu.Yükselme(Örneğin, 0.3 Hz'lik bir tepe). Bu aşırı frekans, diğer jeneratör kontrollerini tetikleyebilir veya en kötü senaryoda, rüzgar çiftliğinin aşırı frekans koruması nedeniyle devre dışı kalmasına ve zincirleme bir elektrik kesintisine yol açabilir.
5. Öneri: Planlamacılar, madencilik tesislerinin şebeke bağlantı protokollerine, belirli bir düşük gerilim geçiş eğrisini (örneğin, gerilim 0.2 pu'ya kadar düştüğünde 0.15 saniyeye kadar şebekede kalma) karşılamak için dönüştürücü kontrolünü değiştirmelerini şart koşan ek koşulların getirilmesini ve kararlılığı doğrulamak için sistem modelinin yeniden çalıştırılmasını önermektedir.

9. Gelecekteki Uygulamalar ve Araştırma Yönleri

• Şebeke Kod Geliştirme: Bu model, bağımsız sistem operatörlerine ve düzenleyici kurumlara (örneğin ABD'deki Federal Enerji Düzenleme Komisyonu), düşük gerilimden kurtulma ötesine geçerek frekanstan kurtulma ve dinamik reaktif güç destek yeteneklerini de içerecek şekilde, büyük ve esnek inverter tabanlı yükler için zorunlu teknik standartlar oluşturma ve savunma konusunda yardımcı olacaktır.
• Hibrit Kaynak Modellemesi: Gelecekteki çalışmalar, madencilik yük modelini, şebekeden bağımsız çalışabilen veya şebeke hizmetleri sağlayabilen "prosumer" madencilik tesislerinin dinamik davranışlarını incelemek için, eş konumlu kaynaklarla (örneğin tüketici tarafı güneş enerjisi + enerji depolama) entegre edecektir.
• Bilgi-Fizik-Ekonomi Eşgüdümlü Simülasyonu: Bir sonraki sınır, elektromanyetik geçici durum modellerini ekonomik ajan modelleriyle bağlamaktır. Bu, gerçek zamanlı elektrik fiyatlarının veya blockchain zorluk ayarlamalarının tüm madencilik filosunun güç tüketimini nasıl etkilediğini simüle edecek, piyasa ve istikrar analizi için bir dijital ikiz oluşturacaktır.
• Diğer Yüklere Genişletme: Bu modelleme çerçevesi, elektrikli araç şarj istasyonları, hidrojen elektrolizörleri ve diğer benzer veri merkezi yükleri gibi diğer büyük invertör tabanlı kümeler için de geçerlidir ve bunların şebeke etkilerini değerlendirmek için bir şablon sunar.
• Donanım Döngü İçi Doğrulama: Gelecekteki araştırmalar, simülasyon ile fiziksel doğrulama arasındaki döngüyü kapatmak için, gerçek madencilik donanımının ve şebeke koruma rölelerinin simüle edilmiş arıza senaryolarına tepkisini test etmek amacıyla modeli bir donanım döngü içi kurulumunda konuşlandırmalıdır.

10. Kaynakça

1. ERCOT, "ERCOT Quick Facts," 2023.
2. J. Doe, "The Energy Footprint of Blockchain," Nature Energy, cilt 5, s. 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," Bölüm 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.