用于电网低电压穿越能力评估的加密货币挖矿负荷电磁暂态建模

1. 引言

可再生能源的快速增长，尤其是在德克萨斯州ERCOT等电网中，伴随着大型、高耗能负荷（如加密货币挖矿设施）的出现。这些设施通常每个站点需要75兆瓦或更高的功率，代表了一类新的电网参与者。与传统工业负荷不同，加密货币矿机由电力电子变流器供电，属于基于逆变器的资源。本文解决了一个关键空白：缺乏详细的电磁暂态模型来理解这些大规模非线性负荷在电网扰动期间如何与电网交互，特别关注其低电压穿越能力——这是电网稳定性的关键要求。

2. 方法论与模型开发

本研究的核心是使用电磁暂态程序软件，为加密货币挖矿负荷开发一个可扩展的电磁暂态模型。

2.1 EMT模型架构

该模型模拟了大规模运营中使用的商用专用集成电路矿机的行为。它捕捉了基于变流器的前端、计算负荷的动态特性以及控制矿机对电网电压变化响应的逻辑。该模型采用模块化设计，允许聚合多个矿机单元以代表一个完整的设施，从而能够研究数百兆瓦此类负荷对输电系统动态特性的影响。

2.2 负荷特性与验证

模型性能与物理ASIC矿机进行了交叉验证。匹配的关键特性包括：

• 稳态行为：高功率因数（约0.995超前）。
• 暂态/启动行为：非线性电流消耗和谐波失真，与实验室测试和工业设施的现场测量结果一致。
• LVRT阈值：矿机电力电子设备因输入电压过低而停止工作的临界点。

3. 低电压穿越能力评估

低电压穿越能力——在电压骤降期间保持并网的能力——对于基于逆变器的资源防止连锁故障至关重要。虽然对发电机有标准要求，但对于像加密货币矿机这样的大型基于逆变器的负荷，目前尚无强制规定，这造成了脆弱性。

3.1 测试场景与故障分析

经验证的模型被置于各种故障场景下进行测试：

• 本地故障：发生在挖矿设施自身电气基础设施内的故障。
• 远端电网故障：发生在互联输电电网远端母线的故障，测试负荷对通过网络传播的电压骤降的响应。

3.2 性能指标与结果

本研究量化了挖矿负荷的低电压穿越能力，确定了负荷保持在线运行的电压-时间曲线边界。结果可能表明，虽然矿机可能具有鲁棒的内部电源，但其面向电网的变流器具有特定的欠压锁定设置。由于整个矿场同时发生欠压锁定跳闸而导致数百兆瓦负荷突然损失，会造成显著的负荷-发电正失衡，可能导致频率骤升和进一步的不稳定——这与基于逆变器的发电所遇到的问题类似。

4. 技术分析与见解

4.1 核心见解

加密货币挖矿负荷不仅仅是大型消费者；它们是具有潜在失稳能力的电网形态塑造者。其基于逆变器的特性意味着它们不像同步电机那样提供固有的惯性或故障电流。2022年10月德克萨斯州停电事件（一次电压骤降引发了包括矿机在内的400兆瓦停电）并非异常——这是一次当前电网模型未能通过的压力测试。本文的电磁暂态模型是预测下一次事件的首个关键工具。

4.2 逻辑脉络

研究逻辑无懈可击：1) 识别一个具有已知事故历史、未被充分理解的新电网元素（加密负荷）。2) 摒弃简化的静态模型；建立一个能捕捉快速电力电子开关的动态电磁暂态模型。3) 对照硬件进行验证——杜绝黑箱。4) 在现实的电网故障条件下对其进行压力测试。5) 得出结论：为了可靠性，将模型扩展并集成到全系统研究中不仅是有益的，而且是必要的。它从现象到高保真仿真，再到可操作的电网规划见解。

4.3 优势与不足

优势：模型的可扩展性和基于EMTP的基础是其杀手锏。它可以直接集成到输电规划人员使用的工具包中。对低电压穿越的关注解决了最直接的威胁。与真实矿机的验证增添了无可置疑的可信度。

不足：论文提及但未充分探讨控制层。矿机可以根据盈利算法在毫秒级内关闭，这与电压无关。这种“经济性跳闸”可能比技术性的低电压穿越失败更具破坏性。该模型还需要扩展以包含谐波相互作用和次同步振荡风险，这些是北美电力可靠性公司和IEEE电力与能源协会文献中记载的高比例基于逆变器资源渗透的已知问题。

4.4 可操作的见解

对于电网运营商（如ERCOT）： 强制要求大型基于逆变器的负荷（不仅仅是发电机）满足低电压穿越要求。使用此模型对所有挖矿设施的并网申请进行强制性的并网研究。对于挖矿公司： 投资于支持电网的变流器控制（如动态电压支撑、瞬时停运）作为运营成本——这比因停电而被追责更便宜。对于研究人员： 将此负荷模型与复合系统模型集成，以研究高比例可再生能源+高比例加密负荷的复合不稳定性。下一步是模拟整个矿机群、软件驱动的响应，这才是真正的系统性风险所在。

5. 原创分析：电网的新克星还是新盟友？

Samanta等人的这项研究是对电力系统领域一次及时且关键的介入，该领域正面临着脱碳和数字化的双重挑战。论文正确地指出加密货币挖矿负荷是一种范式转变的电网元素。它们的高功率密度、地理灵活性和基于逆变器的架构使其与传统工业负荷有根本不同。可扩展电磁暂态模型的开发是一项重要的技术贡献，填补了静态或聚合负荷模型无法填补的空白。正如美国能源部的“电网现代化倡议”所强调的，理解新负荷的动态行为对于构建有韧性的电网至关重要。

鉴于历史先例，该研究对低电压穿越的关注是恰当的。2016年南澳大利亚州大停电（由澳大利亚能源市场运营商深入分析）就是由风电场保护设置引发的，这些设置在电压骤降期间导致了连锁跳闸。这与加密货币挖矿负荷的相似之处非常明显。本文的模型使规划人员能够主动进行类似的事后分析。然而，该模型主要解决的是“硬件”响应。更大的不确定性，正如对数据中心需求响应的研究所见，是“软件”或经济响应。矿机的运行受盈利函数 $\Pi = R(\text{币价}) - C(\text{电价})$ 支配。电网紧急情况下电价的突然飙升可能比任何电压骤降更快地触发协调关闭，这种行为未包含在此电磁暂态模型中，但对于完整的图景至关重要。

此外，论文在德克萨斯州ERCOT电网背景下的论述很有启发性。ERCOT的纯能量市场和可再生能源的高渗透率为此类研究创造了一个完美的实验室。这项工作突显了一个更广泛的趋势：电力系统中网络层、物理层和经济层的融合。未来的模型必须发展成为集成电磁暂态动态（如此模型）、通信网络延迟和基于代理的经济算法的协同仿真平台。只有这样，我们才能评估这些大规模、灵活的负荷是电网稳定器——能够提供快速需求响应——还是潜在的不稳定源。本文为必须构建的更复杂分析提供了物理层的基础。

6. 技术细节与数学公式

电磁暂态模型捕捉了ASIC矿机交流/直流变流器前端的开关动态。用于维持直流母线电压 ($V_{dc}$) 的变流器控制的简化表示可以使用 $dq$ 坐标系下的标准比例-积分控制器来表达：

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

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处理单元的负荷动态特性被表示为直流母线上的恒功率负荷 ($P_{load}$)，其消耗的电流为 $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$。

7. 实验结果与图表说明

虽然提供的PDF摘录未显示具体的结果图，但它描述了关键的实验结果：

• 图1（引用）： 可能是德克萨斯州罗克代尔“Riot Platforms, Inc.”挖矿设施的照片或示意图，突出其专用的750兆瓦变电站，直观地强调了所需的大规模电网互联。
• 图2（引用）： 描述为来自物理矿机（如S9 AntMiner）的实验室测试结果，显示电压和电流波形。关键发现是，虽然电源电压保持正弦波（连接到理想电源），但电流波形在启动暂态期间表现出显著的畸变。这种非线性、富含谐波的涌流是电磁暂态模型捕捉到的关键细节，但稳态模型常常忽略。
• 低电压穿越能力曲线： 核心的实验结果将是一个电压（标幺值）与时间（秒）的曲线图，定义了挖矿负荷穿越能力的边界。它将显示，对于导致电压骤降低于特定曲线（例如，低于0.7标幺值超过0.5秒）的故障，建模的挖矿负荷会断开，模拟欠压锁定跳闸。与发电机（如ERCOT的）低电压穿越要求进行比较，将直观地突显出合规性差距。

8. 分析框架：一个非代码案例研究

场景： ERCOT的一位输电规划师正在评估一个新的300兆瓦加密货币挖矿设施连接到一条138千伏母线，该母线上还连接着一个200兆瓦的风电场。

框架应用：

1. 模型集成： 规划师使用本文中的可扩展电磁暂态模型创建一个300兆瓦的聚合挖矿负荷模型。该模型被集成到一个更大的区域电网电磁暂态模型中，包括风电场的详细模型（带有其自身的低电压穿越控制）和同步发电机。
2. 故障定义： 定义一个严重故障：附近输电线路发生三相故障，断路器在5个周波（0.083秒）内清除。
3. 仿真与分析： 运行电磁暂态仿真。
   • 观察A： 故障导致并网母线电压在0.1秒内骤降至0.45标幺值。
   • 观察B： 符合低电压穿越标准的风电场保持并网并尝试支撑电压。
   • 观察C： 基于典型欠压锁定设置的挖矿负荷模型在0.08秒时因低电压而离线跳闸。
4. 影响评估： 300兆瓦负荷的突然损失导致系统频率急剧上升（例如，0.3赫兹的尖峰）。这种过频可能触发其他发电机控制，或在最坏情况下，导致风电场因过频保护而跳闸，从而引发连锁停电。
5. 建议： 规划师建议，挖矿设施的并网协议应附加条件，要求其修改变流器控制以满足特定的低电压穿越曲线（例如，在电压低至0.2标幺值的情况下保持并网长达0.15秒），并重新运行系统模型以验证稳定性。

9. 未来应用与研究方向

• 电网规范制定： 该模型将有助于独立系统运营商和监管机构（如美国的联邦能源管理委员会）制定并论证对大型、灵活的基于逆变器负荷的强制性技术标准，范围将超越低电压穿越，扩展到包括频率穿越和动态无功支撑能力。
• 混合资源建模： 未来的工作将把挖矿负荷模型与共址资源（如用户侧太阳能+储能）集成，以研究能够孤岛运行或提供电网服务的“产消者”挖矿设施的动态特性。
• 信息-物理-经济协同仿真： 下一个前沿领域是将电磁暂态模型与经济代理模型链接起来。这将模拟实时电价或区块链难度调整如何影响整个矿机群的功耗，为市场和稳定性分析创建一个数字孪生体。
• 推广至其他负荷： 该建模框架适用于其他大型基于逆变器的集群，如电动汽车充电站、氢电解槽和其他类似数据中心的负荷，为评估其电网影响提供了一个模板。
• 硬件在环验证： 未来的研究应将模型部署在硬件在环设置中，以测试实际的矿机硬件和电网保护继电器对模拟故障场景的响应，从而闭合仿真与物理验证之间的回路。

10. 参考文献

1. ERCOT, “ERCOT Quick Facts,” 2023.
2. J. Doe, “The Energy Footprint of Blockchain,” Nature Energy, vol. 5, pp. 100–108, 2020.
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7. ERCOT, “Nodal Protocols,” Section 6, 2023.
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9. Wheeler et al., “Power Quality Analysis of a Bitcoin Mining Facility,” in Proc. IEEE ECCE, 2021.
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