Herausforderungen bei der Netzanpassung für große Rechenzentrumsverbindungen

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Netzkompatibilität großer Rechenzentren hängt eher von der Reaktion auf Störungen, der Modellgenauigkeit und der Betriebsdisziplin ab als allein von der Spitzenlast.
• EMT- und dynamische Untersuchungen müssen Hand in Hand gehen, da Standorte mit hoher Konverterdichte schnelle elektrische Reaktionen hervorrufen, die einfachere Planungsmodelle übersehen würden.
• Versorgungsunternehmen und Netzbetreiber schenken den Unterlagen das größte Vertrauen, die Studienannahmen, Ist-Zustände und die Validierung nach dem Ereignis in einem einheitlichen Prozess miteinander verknüpfen.

Große Rechenzentren erfüllen die Anforderungen an den Netzanschluss, wenn man sie als schnelle elektrische Systeme betrachtet und nicht als passive Gebäudelast. Diese Umstellung ist von Bedeutung, da der Strompfad in einer modernen Anlage von Umrichtern, Steuerungen und gestuften Lastblöcken dominiert wird, sodass die Konformität von der gemessenen elektrischen Reaktion bei Störungen, Spannungsschwankungen und Frequenzereignissen abhängt. Der weltweite Stromverbrauch von Rechenzentren wird für das Jahr 2024 auf etwa 415 TWh geschätzt, was etwa 1,5 % des gesamten Stromverbrauchs, und er ist in den letzten fünf Jahren um etwa 12 % pro Jahr gestiegen.

Sie erzielen bessere Untersuchungsergebnisse, wenn die Netzkonformität von Anfang an auf Modellgenauigkeit, Testdaten und betriebliche Einschränkungen ausgerichtet ist. Energieversorger und Systembetreiber akzeptieren einen einfachen Spitzenlastwert Systembetreiber mehr als vollständige Beschreibung eines großen Rechenzentrums. Sie müssen wissen, wie sich der Standort hochfährt, wie sich seine Umrichter nach einer Störung erholen, welche Durchhalteeinstellungen installiert sind und inwieweit die endgültige Anlage dem eingereichten Modell entspricht.

Netzvorschriften behandeln große Rechenzentren nun als dynamische Teilnehmer am Stromnetz

„Große Rechenzentren gelten mittlerweile als elektrisch aktive Anlagen, deren Steuerungen und Umrichter bei Störungen die Gesamtleistung des Netzes beeinflussen.“

Ein Hyperscale-Campus mit Netzanschluss auf Übertragungsspannung kann Gleichrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungsblöcke, Batteriesysteme, statische Umschaltkonzepte und Steuerungen für Notstromaggregate umfassen, die alle das Verhalten gegenüber dem Netz beeinflussen. Bei einem Fehler in der Nähe können diese Geräte den Blindleistungsfluss, die Stromeinspeisung und die Wiederherstellung nach dem Fehler beeinflussen. Aus diesem Grund verlangen Planer transiente und elektromagnetische Transientenmodelle anstelle eines einzelnen statischen Lastblocks. Die jüngsten NERC-Richtlinien für Großlasten sehen Steady-State-, dynamische und Kurzschlussstudien sowie eine Analyse der Spannungs- und Frequenzwiederherstellung während des Fehlers und nach der Störung vor.

Diese Herangehensweise verändert den Netzanschlussprozess. Sie weisen nicht mehr nur nach, dass die Zuleitung oder der Sammelschienen die Last tragen kann. Sie weisen nach, dass die Anlage unter Lastbedingungen vorhersehbar bleibt und keine Probleme bei der Wiederherstellung des Netzbetriebs für benachbarte Erzeugungsanlagen, andere Wechselrichteranlagen oder das Übertragungsnetz verursacht.

Warum bei Verbindungsstudien für Rechenzentren EMT- und dynamische Analysen erforderlich sind

EMT- und dynamische Untersuchungen sind erforderlich, da Rechenzentren mit hohem Umrichteranteil schneller reagieren können, als dies in herkömmlichen Planungsmodellen abgebildet werden kann. Wenn Ihr Modell die Steuerung auf Subzyklusebene glättet, verpassen Sie die Ereignisse, die für die Einhaltung der Vorgaben entscheidend sind.

Ein großer Standort mit mehreren USV-Blöcken kann sich in einer abgestuften Abfolge von einem Spannungseinbruch erholen. Ein Block könnte den Einbruch problemlos überstehen, ein anderer könnte eine Regelgrenze erreichen, und ein dritter könnte sich so wieder einschalten, dass ein starker Stromsprung entsteht. Werkzeuge zur RMS-Stabilitätsanalyse sind für eine allgemeine Systemüberprüfung nützlich, können jedoch häufig nicht die Regelwechselwirkungen aufzeigen, die zwischen Umrichterregelungen, Transformatorsättigung und Schutzzeitabläufen auftreten. Der DOE-Bericht zur EMT-Modellierung für große Rechenzentren stellt fest, dass unterschiedliche Studien unterschiedliche Modelltypen erfordern, und konzentriert sich speziell auf die EMT-Modellierung für die Bewertung auf Netzebene.

In der Regel werden beide Untersuchungsebenen benötigt. Die dynamische Analyse hilft dabei, die Empfindlichkeit auf Systemebene und die Auswirkungen auf ein größeres Gebiet zu ermitteln. Die EMT-Analyse ermittelt die schnellen elektrischen Details, die für die Durchfahrtsfähigkeit, die Regelstabilität und die Schutzkoordination am Netzanschlusspunkt ausschlaggebend sind.

Grundlegende Netzanforderungen für Verbindungen zwischen großen Rechenzentren

Die wesentlichen Compliance-Anforderungen konzentrieren sich in der Regel auf die Spannungs- und Frequenzstabilität, die Blindleistungskapazität, das Fehlerverhalten, die Schutzkoordination, die Fernmessung und die Modellgenauigkeit. Die Energieversorger verlangen den Nachweis, dass die Anlage vor Ort das in den Studien zugrunde gelegte Verhalten tatsächlich aufweist.

Ein übliches Prüfpaket umfasst Lastflussberechnungen im stationären Zustand, Kurzschlussbelastungen, transiente Stabilität sowie detaillierte Störungsreaktionen am Netzanschlusspunkt. Die Betreiber prüfen zudem Rampenbegrenzungen, die Regelbarkeit interner Lastblöcke und die Fähigkeit des Standorts, während der Wiederherstellung oder der Leistungsabsenkung ein vorhersehbares Leistungsprofil aufrechtzuerhalten. NERC empfiehlt, im Rahmen des Netzanschlussverfahrens Daten zur Durchhaltefähigkeit, Prüfberichte und detaillierte Lastcharakteristiken zu erfassen.

Der praktische Aspekt ist einfach: Bei der Einhaltung von Vorschriften geht es nicht um einen einzigen Test und eine einzige Unterschrift. Es handelt sich vielmehr um eine Kette aufeinander abgestimmter Nachweise, die bei den Studienannahmen beginnt und mit den tatsächlichen Einstellungen, Messpunkten und Betriebsabläufen endet, die dafür sorgen, dass die Anlage im Betrieb innerhalb der vereinbarten Grenzwerte bleibt.

Elektrische Verhaltensweisen, die häufig zu Verstößen gegen die Netzvorschriften führen

Die meisten Verstöße gegen die Vorschriften sind darauf zurückzuführen, dass Details der Reaktion zu früh vereinfacht, im Modell ausgelassen oder nicht getestet wurden. Das Risiko liegt selten allein in der Nennleistung. Es geht vielmehr darum, wie die Steuerung, der Schutz und die stufenweise Lastwiederherstellung des Umrichters unter Last zusammenwirken.

Ein Standort kann bei der Lastflussberechnung akzeptabel erscheinen und dennoch die Störungsprüfung nicht bestehen, wenn die USV-Steuerung nach einem Spannungseinbruch zu schnell wieder einschaltet. Ein anderer Standort kann die Transientenprüfung bestehen, aber dennoch eine schlechte lokale Spannungswiederherstellung aufweisen, weil die Blindleistungsgrenzwerte falsch eingegeben wurden. Plötzliche Lastspitzen durch Kühlsysteme, die Wiederaufladung von Batterien oder die Umschaltung zwischen Versorgungswegen können ebenfalls Probleme auslösen, die von den Planern als inakzeptabel eingestuft werden.

Die häufigsten Schwachstellen sind folgende:

• Falsche Einstellungen für den Durchlaufbetrieb bei Umrichter- und USV-Steuerungen
• Lastwiederherstellungsrampen, die schneller sind als in der Studie angenommen
• Blindleistungsgrenzwerte, die nicht mit der Logik des installierten Reglers übereinstimmen
• Zeitpunkte für Schutzmaßnahmen, die mit den Freischaltplänen von Anlagen und Versorgungsunternehmen kollidieren
• Es fehlen Angaben zur internen Blockabfolge und zur steuerbaren Lastabwurfregelung

Diese Aspekte sind von Bedeutung, da sie genau bei den Ereignissen auftreten, die für die Betreiber am wichtigsten sind. Sobald eine Anlage in Betrieb genommen wird, wird die Diskrepanz zwischen der angenommenen und der tatsächlichen Reaktion zu einem Zuverlässigkeitsproblem und nicht mehr nur zu einem Detail der Modellierung.

Wie Ingenieur:innen die Einhaltung der Netzvorschriften für Rechenzentren vor der Netzanschlussgenehmigung Ingenieur:innen

Ingenieur:innen die Konformität vor der Inbetriebnahme durch schrittweise Validierung der Studie, Überprüfung auf Steuerungsebene und störungsbasierte Abnahmeprüfungen. Ziel ist es, nachzuweisen, dass das Modell, die Einstellungen und die installierten Geräte alle elektrisch ein einheitliches Bild ergeben.

Ein strukturierter Arbeitsablauf beginnt mit den Daten der Hersteller und der Steuerungsdokumentation, geht dann über zu stationären und dynamischen Untersuchungen und schließlich zu EMT-Fällen, die auf die spezifischen Szenarien zugeschnitten sind, die für den Energieversorger von Bedeutung sind. Dazu gehören in der Regel Spannungseinbrüche, Frequenzschwankungen, Störungen in der Nähe, die Wiederherstellung nach der Fehlerbehebung sowie Wiederherstellungsszenarien. Die laborbasierte Nachstellung der Steuerungslogik ist besonders nützlich, wenn die Anlage viele identische Umrichterblöcke umfasst, die gemeinsam agieren können.

Die Leitlinien der NERC gehen über die Überprüfung vor der Inbetriebnahme hinaus. Sie empfehlen eine Modellüberprüfung, hochauflösende Messungen, die Erfassung von Ereignisdaten sowie einen formellen Prozess zur Aktualisierung von Modellen und zur erneuten Untersuchung, wenn Standortänderungen die Leistung beeinträchtigen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Einhaltung der Vorschriften über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg zu überprüfen und nicht nur bei der Erstgenehmigung.

Modellierungsansätze zur Darstellung des elektrischen Verhaltens großer Rechenzentren

Gute Rechenzentrumsmodelle sind mehrschichtig, zweckgebunden und an den Verbindungspunkt gekoppelt. Sie benötigen das einfachste Modell, das dennoch das elektrische Verhalten wiedergibt, das in der Studie untersucht werden soll.

Ein Planungsmodell kann Lastblöcke zu einem steuerbaren Äquivalent zusammenfassen, um umfassendere Systemuntersuchungen zu ermöglichen. Ein EMT-Modell bildet Umrichtergruppen, Regelkreise, Transformatoren und Schutzlogik wesentlich detaillierter ab. Durch diese Aufteilung bleiben umfassendere Untersuchungen überschaubar, während gleichzeitig die schnellen Ereignisse erfasst werden, die für die Einhaltung der Vorschriften entscheidend sind. Die Arbeiten des DOE zur EMT-Modellierung von Rechenzentren wurden genau für dieses Problem entwickelt und weisen darauf hin, dass die Modellauswahl vom Untersuchungszweck abhängt.

Hier kommt es auf die Ausführungswerkzeuge an. Eine modulare Spannungsquellen-Umrichterarchitektur unterstützt fortschrittliche Wandlertopologien wie Halbleitertransformatoren und ermöglicht es Ingenieur:innen Dutzende von Wandlern innerhalb eines einzigen FPGA Ingenieur:innen simulieren und dabei extrem kleine Zeitschritte beizubehalten. Zu diesem Zweck entwickelte Systeme können komplexes Wandlerverhalten Hochpräzis abbilden Hochpräzis bieten Hochpräzis Flexibel I/O fürTests .

Häufige Modellierungsfehler, die zu falschen Ergebnissen bei der Netzkonformität führen

Falsche Ergebnisse sind meist auf Modellvereinfachungen zurückzuführen, durch die genau jene Dynamiken, die untersucht werden sollen, außer Acht gelassen werden. Es entsteht ein trügerisches Vertrauen, wenn aggregierte Modelle Kontrollgrenzen, Schutzmaßnahmen oder eine schrittweise Wiederherstellung verschleiern.

Ein häufiger Fehler besteht darin, die gesamte Anlage bei allen Störungen als konstante Last zu behandeln. Ein weiterer Fehler ist die Verwendung der werkseitigen Standard-Reglereinstellungen, nachdem das Projektteam die Anlagensteuerung bereits angepasst hat. Fehler treten auch auf, wenn Schutz- und EMT-Analysen auf unterschiedlichen Annahmen hinsichtlich der Ausrüstung basieren oder wenn die interne Segmentierung des Standorts ignoriert wird, obwohl die Betreiber planen, den Campus in Blöcken mit Strom zu versorgen.

Das Ausmaß des Problems ist keineswegs theoretischer Natur. US-Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2023 etwa 4,4 % des gesamten Stromverbrauchs und werden bis 2028 voraussichtlich etwa 6,7 % bis 12 %, so das US-Energieministerium. Modellierungsfehler wirken sich daher mittlerweile auf die Systemplanung im großen Netzmaßstab aus.

„Compliance bedeutet nicht nur eine Prüfung und eine Unterschrift. Es handelt sich um eine Kette aufeinander abgestimmter Nachweise, die bei den Studienannahmen beginnt und mit den tatsächlichen Einstellungen, Messpunkten und Betriebsverfahren endet, die dafür sorgen, dass die Anlage im Betrieb innerhalb der vereinbarten Grenzwerte bleibt.“

Wie Netzbetreiber die Ergebnisse von Studien zur Anbindung von Rechenzentren bewerten

Netzbetreiber bewerten Netzanschlussstudien ebenso sehr nach ihrer Glaubwürdigkeit, Reproduzierbarkeit und praktischen Anwendbarkeit wie nach dem Ergebnis „bestanden“ oder „nicht bestanden“. Ein Modell, das die installierten Anlagen, die gemessenen Ereignisse und die vereinbarten Betriebsgrenzen in Einklang bringt, hat mehr Gewicht als ein umfangreicher Bericht mit schwächeren Annahmen.

Ein fundierter Antrag enthält klare Kontingenzpläne, vertretbare Modellgrenzen und praktische Abhilfemaßnahmen für den Fall, dass ein Problem auftritt. Dies kann eine überarbeitete Blocklastlogik, strengere Rampensteuerungen, zusätzliche Telemetriedaten oder angepasste Schutzparameter bedeuten. Die Betreiber wünschen zudem einen Plan für die Validierung nach der Inbetriebnahme, da die Anlage im Live-Betrieb etwaige Diskrepanzen zwischen dem eingereichten Modell und der installierten Anlage aufdecken wird.

Hier entscheidet eine konsequente Umsetzung über das langfristige Ergebnis. Teams, die Echtzeit-Simulationsabläufe nach dem OPAL-RT-Modell nutzen, um das Verhalten von Standorten mit hoher Konverterdichte vor der Inbetriebnahme zu testen, versuchen nicht, Studien besser aussehen zu lassen. Sie verringern vielmehr das Risiko, dass die Einhaltung der Vorschriften nach dem Netzanschluss zu Nachuntersuchungen, Verzögerungen oder Betriebsbeschränkungen führt.