電網低電壓穿越能力評估：加密貨幣挖礦負載之電磁暫態建模

1. 緒論

再生能源的快速發展，特別是在德州 ERCOT 等電網中，伴隨著大型、高耗能負載（如加密貨幣挖礦設施）的興起。這些設施通常每個站點需求高達 75MW 或更多，代表了一類新的電網參與者。與傳統工業負載不同，加密貨幣礦機由電力電子換流器供電，將其歸類為基於換流器的資源。本文解決了一個關鍵缺口：缺乏詳細的電磁暫態模型來理解這些大規模、非線性負載在電網擾動期間如何與電網互動，特別聚焦於其低電壓穿越能力——這是電網穩定性的關鍵要求。

2. 方法論與模型開發

本研究的核心是使用電磁暫態程式開發一個可擴展的加密貨幣挖礦負載 EMT 模型。

2.1 EMT 模型架構

該模型複製了大型運營中使用的商用專用積體電路礦機的行為。它捕捉了基於換流器的前端、計算負載動態以及控制礦機對電網電壓變化反應的控制邏輯。該模型採用模組化設計，允許聚合多個礦機單元以代表一個完整規模的設施，從而能夠研究數百兆瓦此類負載對輸電系統動態的影響。

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。匹配的關鍵特性包括：

• 穩態行為：高功率因數（約 0.995 超前）。
• 暫態/啟動行為：非線性電流汲取和諧波失真，如實驗室測試和工業設施現場量測所觀察到的。
• LVRT 閾值：礦機電力電子設備因輸入電壓過低而停止運作的點。

3. 低電壓穿越能力評估

LVRT 能力——在電壓驟降期間保持連接的能力——對於 IBR 防止連鎖故障至關重要。雖然對發電機是標準要求，但對於像加密貨幣礦機這樣的大型基於 IBR 的負載並未強制規定，這造成了脆弱性。

3.1 測試情境與故障分析

經過驗證的模型被置於各種故障情境下：

• 本地故障：挖礦設施自身電氣基礎設施內的故障。
• 遠端電網故障：互聯輸電網中遠端匯流排的故障，測試負載對在網路中傳播的電壓驟降的反應。

3.2 性能指標與結果

本研究量化了挖礦負載的 LVRT 能力，識別出負載保持線上運作的電壓-時間曲線邊界。結果可能顯示，雖然礦機可能具有穩健的內部電源供應，但其面向電網的換流器具有特定的低電壓鎖定設定。由於整個礦場同時發生 UVLO 跳脫而導致數百兆瓦負載突然損失，可能產生顯著的正向負載-發電不平衡，可能導致頻率尖峰和進一步的不穩定——這與基於 IBR 的發電所見問題相似。

4. 技術分析與洞見

4.1 核心洞見

加密貨幣挖礦負載不僅僅是大型消費者；它們是具有不穩定潛力的電網形成者。其 IBR 性質意味著它們不像同步機那樣提供固有的慣性或故障電流。2022年10月的德州停電事件，其中電壓驟降引發了包括礦機在內的 400MW 停電，並非異常——這是一次當前電網模型未能通過的壓力測試。本文的 EMT 模型是預測下一次事件的關鍵工具。

4.2 邏輯流程

研究邏輯無懈可擊：1) 識別一個新的、理解不足但有事實事件歷史的電網元素（加密貨幣負載）。2) 拒絕簡化的靜態模型；建立一個捕捉快速電力電子開關的動態 EMT 模型。3) 針對硬體進行驗證——沒有黑箱。4) 在真實的電網故障條件下進行壓力測試。5) 得出結論：為了可靠性，可擴展性和整合到全系統研究中不僅有益，而且是必要的。它從現象到高保真模擬，再到可付諸行動的電網規劃洞見。

4.3 優勢與不足

優勢：模型的可擴展性和基於 EMTP 的基礎是其殺手級特性。它直接插入輸電規劃人員使用的工具包中。對 LVRT 的關注解決了最直接的威脅。與真實礦機的驗證增添了無可否認的可信度。

不足：本文暗示但未充分探討控制層。礦機可以根據獲利能力演算法在毫秒內關閉，與電壓無關。這種「經濟性跳脫」可能比技術性的 LVRT 故障更具破壞性。該模型還需要擴展以包含諧波交互作用和次同步振盪風險，這些是 NERC 和 IEEE 電力與能源學會所記載的高 IBR 滲透率下的已知問題。

4.4 可行動的洞見

對於電網營運商（如 ERCOT）： 對大型 IBR 負載（不僅僅是發電機）強制規定 LVRT 要求。使用此模型對所有挖礦設施申請進行強制性互聯研究。對於挖礦公司： 投資於支援電網的換流器控制（例如動態電壓支援、瞬時停止）作為營運成本——這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，以研究高再生能源 + 高加密貨幣負載的複合不穩定性。下一步是對整個礦場、軟體驅動的反應進行建模，這才是真正的系統性風險所在。

5. 原創分析：電網的新敵人還是盟友？

Samanta 等人的這項研究是對電力系統領域及時且關鍵的介入，該領域正努力應對去碳化和數位化的雙重挑戰。本文正確地將加密貨幣挖礦負載識別為一個範式轉移的電網元素。其高功率密度、地理靈活性和基於 IBR 的架構使其從根本上不同於傳統工業負載。可擴展 EMT 模型的開發是一項重要的技術貢獻，填補了靜態或聚合負載模型無法填補的空白。正如美國能源部的「電網現代化倡議」所強調的，理解新負載的動態行為對於一個有韌性的電網至關重要。

鑑於歷史先例，本研究對 LVRT 的關注是恰當的。2016年南澳大利亞停電事件（由澳大利亞能源市場營運商深入分析）是由風電場保護設定在電壓驟降期間導致連鎖跳脫所引發的。與加密貨幣挖礦負載的相似之處非常明顯。本文的模型允許規劃人員主動進行類似的鑑識分析。然而，該模型主要解決的是「硬體」反應。更大的不確定性，正如對資料中心需求響應的研究所見，是「軟體」或經濟性反應。礦機的運作由獲利能力函數 $Π = R( ext{幣價}) - C( ext{電價})$ 所支配。在電網緊急情況下電價的突然飆升，可能比任何電壓驟降更快地觸發協調關機，這種行為未在此 EMT 模型中捕捉，但對於完整的圖景至關重要。

此外，本文在德州 ERCOT 電網內的背景具有啟發性。ERCOT 的純能量市場和高再生能源滲透率為此類研究創造了完美的實驗室。這項工作強調了一個更廣泛的趨勢：電力系統中網路、物理和經濟層面的融合。未來的模型必須發展成協同模擬平台，整合 EMT 動態（如此模型）、通訊網路延遲和基於代理的經濟演算法。只有這樣，我們才能評估這些大規模、靈活的負載是電網穩定器——能夠提供快速需求響應——還是不穩定的潛在來源。本文為必須建立更複雜分析的物理層面提供了必要的基礎。

6. 技術細節與數學公式

EMT 模型捕捉了 ASIC 礦機 AC/DC 換流器前端的開關動態。用於維持直流匯流排電壓 ($V_{dc}$) 的換流器控制的簡化表示，可以使用 $dq$ 參考座標系中的標準比例-積分控制器來表達：

$\begin{aligned} i_{d}^{ref} &= K_{p}(V_{dc}^{ref} - V_{dc}) + K_{i} \int (V_{dc}^{ref} - V_{dc}) dt \\ i_{q}^{ref} &= 0 \quad \text{(for unity power factor control)} \end{aligned}$

其中 $i_{d}^{ref}$ 和 $i_{q}^{ref}$ 是內部電流控制迴路的參考電流。LVRT 行為由低電壓保護邏輯建模，當量測到的 RMS 電壓 $V_{rms}$ 低於閾值 $V_{th}$ 且時間 $t > t_{delay}$ 時，該邏輯會禁用換流器脈衝：

$\text{UVLO Trip Signal} = \begin{cases} 1 & \text{if } V_{rms} < V_{th} \text{ for } t \ge t_{delay} \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}$

ASIC 處理單元的負載動態表示為直流匯流排上的恆定功率負載 ($P_{load}$)，汲取電流 $I_{dc} = P_{load} / V_{dc}$。

7. 實驗結果與圖表說明

雖然提供的 PDF 摘錄未顯示具體的結果圖形，但它描述了關鍵的實驗結果：

• 圖 1（參考）： 可能是德州洛克代爾「Riot Platforms, Inc.」挖礦設施的照片或圖表，突顯其專用的 750 MW 變電站，視覺上強調了所需的大規模電網互聯。
• 圖 2（參考）： 描述為來自實體礦機（例如 S9 AntMiner）的實驗室測試結果，顯示電壓和電流波形。關鍵發現是，雖然電源電壓保持正弦波（連接到理想電源），但電流波形在啟動暫態期間表現出顯著失真。這種非線性、富含諧波的湧入電流是 EMT 模型捕捉到的關鍵細節，但穩態模型經常忽略。
• LVRT 能力曲線： 核心實驗結果將是一個電壓 (pu) 對時間 (秒) 的圖形，定義了挖礦負載穿越能力的邊界。它將顯示，對於導致電壓驟降低於特定曲線（例如低於 0.7 pu 超過 0.5 秒）的故障，建模的挖礦負載會斷開連接，模擬 UVLO 跳脫。與發電機的 LVRT 要求（例如 ERCOT 的）進行比較，將視覺上突顯合規性差距。

8. 分析框架：一個非程式碼的案例研究

情境： ERCOT 的一位輸電規劃人員正在評估一個新的 300 MW 加密貨幣挖礦設施連接到一個 138 kV 匯流排，該匯流排還連接了一個 200 MW 的風電場。

框架應用：

1. 模型整合： 規劃人員使用本文的可擴展 EMT 模型創建一個 300 MW 聚合挖礦負載模型。這被整合到區域電網的更大 EMT 模型中，包括風電場（具有其自身的 LVRT 控制）和同步發電機的詳細模型。
2. 事故定義： 定義一個嚴重事故：附近輸電線路上的三相故障，由斷路器在 5 個週期（0.083 秒）內清除。
3. 模擬與分析： 運行 EMT 模擬。
   • 觀察 A： 故障導致互聯匯流排電壓驟降至 0.45 pu，持續 0.1 秒。
   • 觀察 B： 符合 LVRT 標準的風電場保持連接並嘗試支援電壓。
   • 觀察 C： 基於典型 UVLO 設定的挖礦負載模型，由於低電壓在 0.08 秒時跳脫離線。
4. 影響評估： 300 MW 負載的突然損失導致系統頻率急劇上升（例如 0.3 Hz 的尖峰）。這種過頻可能觸發其他發電機控制，或在最壞情況下導致風電場因過頻保護而跳脫，從而引發連鎖停電。
5. 建議： 規劃人員建議，挖礦設施的互聯協議應以修改其換流器控制以滿足特定的 LVRT 曲線為條件（例如，在電壓低至 0.2 pu 的情況下保持連接長達 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營運商和監管機構（如美國的 FERC）制定並證明對大型、靈活的基於 IBR 的負載的強制性技術標準，擴展到 LVRT 之外，包括頻率響應和無功功率支援能力。
• 混合資源建模： 未來的工作將把挖礦負載模型與共置資源（如電表後的太陽能+儲能）整合，以研究能夠孤島運行或提供電網服務的「產消合一」挖礦設施的動態。
• 網路-物理-經濟協同模擬： 下一個前沿是將 EMT 模型與經濟代理模型連結。這將模擬即時電價或區塊鏈難度調整如何影響整個礦場的電力消耗，為市場和穩定性分析創建一個數位孿生。
• 推廣至其他負載： 該建模框架適用於其他大型 IBR 集群，例如電動車充電中心、氫電解槽和其他類似資料中心的負載，為評估其電網影響提供了一個範本。
• 硬體在迴路驗證： 未來的研究應將模型部署在 HIL 設置中，以針對模擬的故障情境測試實際的礦機硬體和電網保護繼電器，從而閉合模擬與物理驗證之間的迴路。

10. 參考文獻

1. ERCOT, “ERCOT 快速事實,” 2023.
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5. IEEE 電力與能源學會, “基於換流器的發電對大電力系統動態和短路性能的影響,” 技術報告, 2018.
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7. ERCOT, “節點協議,” 第 6 節, 2023.
8. ERCOT, “發電互聯狀態報告,” 2023.
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11. 美國能源部, “電網現代化倡議多年計畫,” 2021.
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