電磁暫態模型分析加密貨幣挖礦負載對電網低電壓穿越能力嘅影響

1. 引言

可再生能源嘅快速增長（特別係好似德州ERCOT呢類電網），伴隨住大型、高耗電負載嘅出現，例如加密貨幣挖礦設施。呢啲設施通常每個場址需要75兆瓦或以上嘅電力，代表住一類新嘅電網參與者。同傳統工業負載唔同，加密貨幣挖礦機由電力電子變流器供電，屬於基於變流器嘅資源。本文解決一個關鍵缺口：缺乏詳細嘅電磁暫態模型去理解呢啲龐大、非線性負載喺電網擾動期間點樣互動，特別係聚焦喺佢哋嘅低電壓穿越能力——呢個係電網穩定嘅關鍵要求。

2. 方法論與模型開發

本研究嘅核心係使用電磁暫態程序軟件，開發一個可擴展嘅加密貨幣挖礦負載電磁暫態模型。

2.1 EMT 模型架構

該模型模擬大型運營中使用嘅商用專用集成電路礦機嘅行為。佢捕捉基於變流器嘅前端、計算負載動態，以及控制礦機對電網電壓變化反應嘅邏輯。模型設計為模塊化，允許聚合多個礦機單元來代表一個完整規模嘅設施，從而能夠研究數百兆瓦呢類負載對輸電系統動態嘅影響。

2.2 負載特性與驗證

模型性能與實體ASIC礦機進行交叉驗證。匹配嘅關鍵特性包括：

• 穩態行為： 高功率因數（約0.995超前）。
• 暫態/啟動行為： 非線性電流汲取同諧波失真，正如實驗室測試同工業設施現場測量所觀察到嘅。
• LVRT 閾值： 礦機電力電子設備因輸入電壓過低而停止運作嘅點。

3. 低電壓穿越能力評估

低電壓穿越能力——即喺電壓驟降期間保持連接嘅能力——對於基於變流器嘅資源防止連鎖故障至關重要。雖然對發電機係標準要求，但對於好似加密貨幣礦機呢類大型基於變流器嘅負載並無強制規定，造成咗一個漏洞。

3.1 測試場景與故障分析

經過驗證嘅模型被置於各種故障場景下測試：

• 本地故障： 挖礦設施自身電力基礎設施內嘅故障。
• 遠端電網故障： 互聯繫統中遠端母線嘅故障，測試負載對喺網絡中傳播嘅電壓驟降嘅反應。

3.2 性能指標與結果

本研究量化咗挖礦負載嘅低電壓穿越能力，確定咗負載保持在線嘅電壓-時間曲線邊界。結果可能顯示，雖然礦機可能具有穩健嘅內部電源，但其面向電網嘅變流器有特定嘅欠壓鎖定設定。由於整個礦場同時發生欠壓鎖定跳閘而導致數百兆瓦負載突然損失，會造成顯著嘅正負載-發電不平衡，可能導致頻率飆升同進一步嘅不穩定——呢個問題同基於變流器嘅發電所遇到嘅問題相似。

4. 技術分析與見解

4.1 核心見解

加密貨幣挖礦負載唔單止係大型消費者；佢哋係具有潛在不穩定影響嘅電網形成者。佢哋基於變流器嘅性質意味住佢哋唔似同步電機咁提供固有慣性或故障電流。2022年10月德州大停電事件中，一次電壓驟降觸發咗包括礦機在內嘅400兆瓦停電，呢個唔係異常事件——而係一次現有電網模型未能通過嘅壓力測試。本文嘅電磁暫態模型係預測下一次事件嘅首個關鍵工具。

4.2 邏輯流程

研究邏輯無懈可擊：1) 識別一個新嘅、未被充分理解但有事實證明事故歷史嘅電網元素（加密貨幣負載）。2) 摒棄簡單嘅靜態模型；建立一個捕捉快速電力電子開關動態嘅電磁暫態模型。3) 對照硬件進行驗證——唔係黑盒。4) 喺現實電網故障條件下對其進行壓力測試。5) 得出結論：將模型擴展並整合到全系統研究中，對於可靠性而言唔單止有益，而且係必要嘅。研究從現象到高保真模擬，再到可行嘅電網規劃見解。

4.3 優點與不足

優點： 模型嘅可擴展性同基於EMTP嘅基礎係其殺手鐧。佢可以直接插入輸電規劃人員使用嘅工具包中。對低電壓穿越嘅關注解決咗最直接嘅威脅。用真實礦機進行驗證增加咗無可否認嘅可信度。

不足： 本文暗示但未充分探討控制層。礦機可以根據盈利算法喺毫秒內關閉，與電壓無關。呢種「經濟性跳閘」可能比技術性低電壓穿越失敗更具破壞性。模型仲需要擴展以包括諧波相互作用同次同步振盪風險，呢啲係北美電力可靠性公司同IEEE電力與能源協會記錄嘅高比例基於變流器嘅資源併網已知問題。

4.4 可行建議

對於電網運營商（例如ERCOT）： 對大型基於變流器嘅負載（唔單止係發電機）強制規定低電壓穿越要求。使用此模型對所有挖礦設施申請進行強制性併網研究。對於挖礦公司： 投資於支持電網嘅變流器控制（例如動態電壓支持、瞬時停機）作為營商成本——呢個比因停電而被指責更便宜。對於研究人員： 將此負載模型與複合系統模型整合，以研究高比例可再生能源 + 高比例加密貨幣負載嘅複合不穩定性。下一步係模擬整個礦場、由軟件驅動嘅反應，呢個先係真正嘅系統性風險所在。

5. 原創分析：電網嘅最新敵人定係盟友？

Samanta等人嘅呢項研究係對電力系統領域一次及時而關鍵嘅介入，該領域正面臨脫碳同數字化嘅雙重挑戰。本文正確地將加密貨幣挖礦負載識別為一種範式轉變嘅電網元素。佢哋嘅高功率密度、地理靈活性同基於變流器嘅架構，使佢哋從根本上不同於傳統工業負載。開發一個可擴展嘅電磁暫態模型係一項重要嘅技術貢獻，填補咗靜態或聚合負載模型無法填補嘅空白。正如美國能源部嘅「電網現代化倡議」所強調，理解新負載嘅動態行為對於一個有韌性嘅電網至關重要。

鑑於歷史先例，本研究聚焦於低電壓穿越係恰當嘅。2016年南澳洲大停電（由澳洲能源市場運營商深入分析）係由風電場保護設定引起，該設定導致電壓驟降期間發生連鎖跳閘。與加密貨幣挖礦負載嘅相似之處非常明顯。本文嘅模型允許規劃人員主動進行類似嘅取證分析。然而，該模型主要解決「硬件」反應。更大嘅不確定性，正如對數據中心需求響應嘅研究所見，係「軟件」或經濟反應。礦機嘅運作由盈利函數 $Π = R( ext{幣價}) - C( ext{電價})$ 控制。電網緊急情況下電價突然飆升，可能觸發協調關閉，速度比任何電壓驟降都快，呢種行為未喺此電磁暫態模型中體現，但對於完整嘅圖景至關重要。

此外，本文喺德州ERCOT電網背景下嘅討論具有啟示意義。ERCOT嘅純能量市場同高比例可再生能源，為呢類研究創造咗一個完美嘅實驗室。呢項工作強調咗一個更廣泛嘅趨勢：電力系統中網絡層、物理層同經濟層嘅融合。未來嘅模型必須發展成為協同仿真平台，整合電磁暫態動態（如此模型）、通信網絡延遲同基於代理嘅經濟算法。只有到時，我哋先可以評估呢啲龐大、靈活嘅負載係電網穩定器——能夠提供快速需求響應——定係潛在嘅不穩定源頭。本文為必須建立嘅更複雜分析提供咗物理層嘅必要基礎。

6. 技術細節與數學公式

電磁暫態模型捕捉ASIC礦機交流/直流變流器前端嘅開關動態。用於維持直流母線電壓（$V_{dc}$）嘅變流器控制嘅簡化表示，可以使用 $dq$ 參考系中嘅標準比例-積分控制器來表達：

$\begin{aligned} i_{d}^{ref} &= K_{p}(V_{dc}^{ref} - V_{dc}) + K_{i} \int (V_{dc}^{ref} - V_{dc}) dt \\ i_{q}^{ref} &= 0 \quad \text{(用於單位功率因數控制)} \end{aligned}$

其中 $i_{d}^{ref}$ 同 $i_{q}^{ref}$ 係內環電流控制迴路嘅參考電流。低電壓穿越行為通過欠壓保護邏輯建模，當測量到嘅均方根電壓 $V_{rms}$ 低於閾值 $V_{th}$ 且時間 $t > t_{delay}$ 時，該邏輯會禁用變流器脈衝：

$\text{UVLO 跳閘信號} = \begin{cases} 1 & \text{若 } V_{rms} < V_{th} \text{ 持續 } t \ge t_{delay} \\ 0 & \text{其他情況} \end{cases}$

ASIC處理單元嘅負載動態表示為直流母線上嘅恆功率負載（$P_{load}$），汲取電流 $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$。

7. 實驗結果與圖表說明

雖然提供嘅PDF摘錄未顯示具體結果圖表，但描述咗關鍵實驗結果：

• 圖1（參考）： 可能係德州Rockdale「Riot Platforms, Inc.」挖礦設施嘅照片或圖解，突出其專用嘅750兆瓦變電站，視覺上強調所需嘅大規模電網互連。
• 圖2（參考）： 描述為實驗室測試結果，顯示來自實體礦機（例如S9 AntMiner）嘅電壓同電流波形。關鍵發現係，雖然供電電壓保持正弦波（連接到理想電源），但電流波形喺啟動暫態期間表現出顯著失真。呢種非線性、富含諧波嘅湧入電流係電磁暫態模型捕捉到但穩態模型經常忽略嘅關鍵細節。
• 低電壓穿越能力曲線： 核心實驗結果將係一個電壓（標么值）對時間（秒）嘅圖，定義挖礦負載穿越能力嘅邊界。佢會顯示，對於導致電壓驟降低於某條曲線（例如低於0.7標么值超過0.5秒）嘅故障，建模嘅挖礦負載會斷開連接，模擬欠壓鎖定跳閘。與發電機低電壓穿越要求（例如ERCOT嘅）進行比較，將視覺上突出合規差距。

8. 分析框架：一個非編碼案例研究

場景： ERCOT嘅一位輸電規劃人員正在評估一個新嘅300兆瓦加密貨幣挖礦設施連接到一個138千伏母線，該母線同時連接咗一個200兆瓦嘅風電場。

框架應用：

1. 模型整合： 規劃人員使用本文嘅可擴展電磁暫態模型創建一個300兆瓦聚合挖礦負載模型。呢個模型被整合到區域電網嘅更大電磁暫態模型中，包括風電場（及其自身嘅低電壓穿越控制）同同步發電機嘅詳細模型。
2. 事故定義： 定義一個嚴重事故：附近輸電線路上發生三相故障，斷路器喺5個週期（0.083秒）內清除。
3. 仿真與分析： 運行電磁暫態仿真。
   • 觀察A： 故障導致互連母線電壓驟降至0.45標么值，持續0.1秒。
   • 觀察B： 符合低電壓穿越標準嘅風電場保持連接並嘗試支持電壓。
   • 觀察C： 基於典型欠壓鎖定設定嘅挖礦負載模型，由於低電壓喺0.08秒時跳閘離線。
4. 影響評估： 300兆瓦負載突然損失導致系統頻率急劇上升（例如0.3赫茲嘅尖峰）。呢個過頻可能觸發其他發電機控制，或者喺最壞情況下，導致風電場因過頻保護而跳閘，引發連鎖停電。
5. 建議： 規劃人員建議，挖礦設施嘅併網協議應以修改其變流器控制以滿足特定低電壓穿越曲線為條件（例如，電壓低至0.2標么值時保持連接最多0.15秒），並重新運行系統模型以驗證穩定性。

9. 未來應用與研究方向

• 電網規範制定： 此模型將有助於獨立系統運營商同監管機構（例如美國嘅聯邦能源管理委員會）制定並證明對大型、靈活嘅基於變流器嘅負載嘅強制性技術標準，範圍將超越低電壓穿越，包括頻率響應同無功功率支持能力。
• 混合資源建模： 未來工作將把挖礦負載模型與同址資源（例如用戶側太陽能+儲能）整合，以研究能夠孤島運行或提供電網服務嘅「產消者」挖礦設施嘅動態。
• 網絡-物理-經濟協同仿真： 下一個前沿係將電磁暫態模型與經濟代理模型連結。呢個將模擬實時電價或區塊鏈難度調整如何影響整個礦場嘅功耗，為市場同穩定性分析創建一個數字孿生。
• 推廣至其他負載： 該建模框架適用於其他大型基於變流器嘅集群，例如電動汽車充電中心、氫氣電解槽同其他類似數據中心嘅負載，為評估其電網影響提供模板。
• 硬件在環驗證： 未來研究應將模型部署喺硬件在環設置中，針對仿真故障場景測試實際礦機硬件同電網保護繼電器，閉合仿真同物理驗證之間嘅迴路。

10. 參考文獻

1. ERCOT, “ERCOT Quick Facts,” 2023.
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