Wenn für Stromversorgungsstudien in Rechenzentren eine EMT-Simulation erforderlich ist

Wichtigste Erkenntnisse

• Studien zu Rechenzentren sollten mit einer Phasorsimulation beginnen und erst dann zur EMT übergehen, wenn das Verhalten des schnellen Umrichters das Ergebnis bestimmt.
• Die richtige Methode hängt vom jeweiligen Ausfallmechanismus ab, insbesondere bei Störungen, Regelungsinteraktionen, Oberschwingungsrisiken und Ereignissen im Zusammenhang mit der Netzübertragung.
• Die Validierung im geschlossenen Regelkreis ist wichtig, da das Timing des Reglers, die Schutzlogik und I/O oft ausschlaggebend für die Leistung im Feld sind, sobald die Studienphase abgeschlossen ist.

Eine EMT-Simulation ist für Stromversorgungsanalysen in Rechenzentren erforderlich, wenn das Verhalten der Umrichter, die Wechselwirkungen zwischen den Steuerungen und Störungen im Subzyklusbereich das Ergebnis bestimmen. Rechenzentren verbrauchten im Jahr 2023 in den Vereinigten Staaten etwa 176 TWh im Jahr 2023, was etwa 4,4 % des gesamten US-Stromverbrauchs entspricht. Dies zeigt, wie groß diese elektrischen Lasten in Netzstudien geworden sind. Sobald eine Anlage diese Größenordnung mit vielen umrichterbasierten Geräten erreicht, liefern Phasormethoden nicht mehr genügend Details für die wichtigsten Fragestellungen der Studie.

Man sollte dennoch nicht davon ausgehen, dass EMT in jedem Fall die richtige Wahl ist. Die meisten Planungsarbeiten beginnen mit einer Phasorsimulation, da diese schneller und einfacher ist und für langsamere Phänomene ausreicht. Die Grenze zwischen den beiden Methoden wird deutlich, wenn man sich eine praktische Frage stellt: Benötigt man durchschnittliche Systemtrends, oder muss man sehen, was die Umrichter und Steuerungen tatsächlich in Zeitschritten tun, die kurz genug sind, um schaltbedingte Effekte zu erfassen?

Rechenzentren von Energiesysteme verhalten sich Energiesysteme wie umrichtergesteuerte elektrische Verbraucher

Große Rechenzentren gleichen mittlerweile weniger passiven industriellen Lasten als vielmehr elektrischen Systemen mit hoher Dichte an Umrichtern. Gleichrichter, Zwischenkreise, Batteriesysteme, statische Schalter, USV-Blöcke und netzstützende Steuerungen prägen das elektrische Verhalten, das bei Störungen, beim Einschalten und bei Steuerungsübergängen zu beobachten ist.

Ein moderner, über USV-Anlagen mit Doppelwandlung gespeister Weißraum präsentiert sich dem Netz nicht als einfacher Motor oder ohmscher Last. Das vorgelagerte System sieht koordinierte Leistungselektronik, Regelkreise und Schutzlogik. Bei einer Studie zur Netzanbindung eines 200-MW-Campus muss beispielsweise häufig berücksichtigt werden, wie sich Front-End-Umrichter nach einem Spannungseinbruch wieder erholen, wie sie den Strom begrenzen und wie sie mit Kondensatorbänken oder nahegelegenen Wechselrichter-basierten Ressourcen interagieren.

Diese Entwicklung ist von Bedeutung, da die Untersuchungsmethode auf die physikalischen Eigenschaften der Bauteile abgestimmt sein muss, die für das jeweilige Ereignis maßgeblich sind. Die beigefügte Broschüre weist auf denselben Trend hin und hebt dabei die Modellierung von Wandlern für Rechenzentrumsanwendungen, eine umfassende Topologieabdeckung, die Unterstützung von bis zu 64 Wandlern in einem einzigen FPGA sowie eine Zeitschrittweite von 40 ns hervor – was die Auflösung widerspiegelt, die diese Systeme bei Testarbeiten erfordern können.

Phasorsimulationsmethoden, die in den meisten Studien zur Stromversorgung von Rechenzentren verwendet werden

„Phasor-Analysen sollten als Filter betrachtet werden.“

Die Phasorsimulation ist nach wie vor der richtige Ausgangspunkt für die meisten Stromversorgungsanalysen in Rechenzentren. Sie stellt Spannungen und Ströme als Größen bei Grundfrequenz dar, sodass Sie das langsamere elektromechanische Verhalten und das Effektivwertverhalten untersuchen können, ohne die schnellen Details der Wellenform berechnen zu müssen.

Dieser Ansatz eignet sich gut für die Spannungswiederherstellung bei Langzeitausfällen, den Leistungsfluss im stationären Zustand, die Kurzschlussanalyse, die Schutzkoordination auf allgemeiner Ebene sowie für zahlreiche Überprüfungen der Netzanbindung. Ein Team, das während eines Stromausfalls die Auslastung von Zuleitungen, die Dimensionierung von Transformatoren, den Bedarf an Blindleistungsunterstützung oder die Einsatzplanung von Generatoren bewertet, erhält oft zunächst nützliche Antworten mithilfe von Phasor-Tools. Sie können Dutzende von Störfällen schnell durchspielen und so die Fälle eingrenzen, die eine eingehendere Untersuchung erfordern.

Die Grenze wird deutlich, wenn die Fragestellung der Untersuchung davon abhängt, was innerhalb eines Zyklus geschieht, und nicht über mehrere Zyklen hinweg. Phasormodelle glätten Schaltvorgänge, Oberschwingungen, Blockierungen von Umrichtern, Sättigung der Regelung und detaillierte Fehlerstromwellenformen. Deshalb sollten Phasoruntersuchungen als Filter betrachtet werden. Sie zeigen, wo das Risiko liegt, geben jedoch nicht immer Aufschluss darüber, wie sich die Umrichter verhalten, wenn das System belastet wird.

Elektrische Verhaltensweisen, die Phasormodelle nicht genau abbilden können

Phasormodelle können elektrisches Verhalten, das von der Wellenform, schnellen Regelvorgängen oder Zustandsänderungen des Umrichters abhängt, nicht genau abbilden. Sobald das Ereignis von diesen Details abhängt, verschleiert die gemittelte Darstellung den Mechanismus, den Sie bewerten müssen.

Ein Spannungsabfall, der einige Zyklen andauert, ist ein gutes Beispiel dafür. Ein Phasorenmodell kann zwar die Stärke des Einbruchs und den Verlauf der Erholung darstellen, zeigt jedoch weder das Risiko eines Kommutierungsfehlers noch Gleichstromkreis-Ausschwankungen, Übergänge zwischen Regelmodi oder Oberschwingungsspitzen während der Erholungsphase an. Das gleiche Problem tritt bei der Einschaltung eines großen USV-Blocks, beim Umschalten zwischen Netz- und Notstromversorgung oder bei der Wechselwirkung zwischen aktiven Frontends und schwachen Netzbedingungen auf.

Diese fehlenden Details sind wichtig, da sie häufig die Ursache für Fehlauslösungen, instabile Wiederherstellungsprozesse oder falsch eingestellte Schutzvorrichtungen sind. Ingenieur:innen sehen Ingenieur:innen ein Phasor-Ergebnis, das unauffällig erscheint, stellen dann aber im Labor fest, dass sich ein Umrichterstrombegrenzer, eine PLL oder eine Auslöselogik unter denselben Ereignissen ganz anders verhält. EMT schließt diese Lücke, da es die Wellenformdaten und die Steuerungsabläufe speichert, die erklären, warum sich das Ereignis so entwickelt hat, wie es geschehen ist.

Wechselwirkungen in der Leistungselektronik, die eine EMT-Simulation erfordern

Bei Wechselwirkungen in der Leistungselektronik ist eine EMT-Auflösung erforderlich, wenn sich zwei oder mehr schnelle Steuerungssysteme über das Netz gegenseitig beeinflussen. Das bedeutet in der Regel, dass das größte technische Risiko in der Kopplung zwischen den Umrichtern liegt und nicht in den Mittelwerten langsamer Systeme.

Ein häufiger Fall ist ein Rechenzentrum, das in der Nähe von Solarwechselrichtern, Batterie-Energiespeichern oder einem über Gleichstrom-Hochspannungsleitungen (HVDC) versorgten Industriegebiet angeschlossen ist. Die USV-Frontends des Rechenzentrums, die netzseitigen STATCOMs und die nahegelegenen Wechselrichteranlagen können alle über ihre eigenen PLLs, Stromregler und Spannungsregler auf dieselbe Störung reagieren. Ein weiterer Fall tritt innerhalb der Anlage auf, wenn mehrere USV-Module, statische Umschalter und Batteriekonverter sich einen Sammelschienen mit sehr geringer Kurzschlussfestigkeit teilen.

Der Hauptunterschied zwischen der Phasor- und der EMT-Simulation besteht darin, dass Phasor-Tools diese Wechselwirkungen zu gemittelten Reaktionen glätten, während EMT-Tools die zeitlichen Abläufe und Wellenformdetails beibehalten, die Instabilität, Schwingungen oder Regelkreisschwankungen aufzeigen. Diese Auflösung ist erforderlich, wenn die Umrichterregelung die Ursache des Problems ist und nicht nur daran beteiligt ist.

Netzstörungen, die Ingenieur:innen zwingen, von Phasor- auf EMT-Analysen umzusteigen

Bestimmte Netzstörungen erfordern den Einsatz von EMT, da sich das Ereignis für Phasormethoden zu schnell oder zu nichtlinear entwickelt. Dazu gehören das Durchfahren von Fehlern, das erneute Auslösen von Leistungsschaltern, das Schalten von Kondensatoren, Inselbetriebsübergänge und die Spannungswiederherstellung bei schwachem Netz.

Eine Störung im Versorgungsnetz in der Nähe des Netzanschlusspunkts veranschaulicht das Problem sehr gut. Der Planer kann zunächst eine Phasorsimulation durchführen, um die kritischen Knotenpunkte und das voraussichtliche Wiederherstellungsfenster zu ermitteln. Sobald das Ergebnis eine knappe Spannungsreserve oder ein ungewöhnliches Verhalten des Umrichters anzeigt, ist die EMT der nächste Schritt, da Sie die Verzerrung der Wellenformen, die Strombegrenzung, die Reglerübergänge und die genauen Relaisauslösebedingungen überprüfen müssen. Der weltweite Stromverbrauch von Rechenzentren wird bis 2030 voraussichtlich etwa 945 TWh erreichen, fast doppelt so viel wie im Jahr 2024 , was bedeutet, dass diese netzseitigen Ereignisse mehr große Standorte betreffen und mehr Arbeiten an den Netzanschlüssen erfordern werden.

Sie sollten auch auf EMT umsteigen, wenn der Energieversorger oder Netzbetreiber Nachweise verlangt, die über die RMS-Wiederherstellung hinausgehen. Diese Anforderung tritt häufig auf, wenn das Rechenzentrum im Verhältnis zur lokalen Kurzschlussstärke groß ist oder wenn nahegelegene Wechselrichteranlagen den Bereich bereits elektrisch sensibel machen.

Praktische Kriterien, Ingenieur:innen EMT-Simulationsmethoden auswählen

Ingenieur:innen sich für EMT entscheiden, wenn das Studienziel von schnellen elektrischen Details, Steuerungsabläufen oder der Genauigkeit der Wellenformen abhängt. Die Wahl der Methode sollte sich nach dem Fehlermechanismus richten, den Sie bestätigen müssen, und nicht nach Gewohnheiten oder software .

Ein klarer Screening-Prozess ist hilfreich. Beginnen Sie mit dem Ereignis, dem Gerät und dem Akzeptanzkriterium. Ein Problem mit dem Kurzschlussverhältnis in der Nähe des Netzanschlusspunkts deutet auf EMT hin, wenn die Stabilität des Umrichters überprüft wird. Ein Problem mit der Einhaltung der Oberwellengrenzwerte deutet auf EMT hin, wenn die Filterleistung und Resonanz eine Rolle spielen. Eine grundlegende Überprüfung der Transformatorauslastung bleibt im Bereich der Phasoren, da schnelle Details der Wellenform das Ergebnis nicht verändern.

Anhand von fünf praktischen Tests können Sie die Entscheidung treffen:

• Das Ereignis spielt sich innerhalb weniger Zyklen oder noch schneller ab.
• Die Konverter-Steuerung entscheidet über das Ergebnis „bestanden“ oder „nicht bestanden“.
• Oberschwingungen, Resonanzen oder Schalttransienten spielen eine Rolle.
• Die Schutzansprüche hängen von der genauen Wellenform ab.
• Hardware ist Teil des Untersuchungsumfangs.

Dieses Rahmenwerk sorgt dafür, dass der Aufwand im Griff bleibt. Die Erstellung und Überprüfung von EMT-Modellen ist zeitaufwändiger, daher sollte es einen klaren Grund für deren Einsatz geben. Klare Auswahlkriterien unterstützen den unterstützen Leitern zudem unterstützen , den Projektteams die zusätzlichen Modellierungskosten zu erklären.

Wie Ingenieur:innen EMT-Modelle für elektrische Anlagen in großen Rechenzentren Ingenieur:innen

Große EMT-Modelle für Rechenzentren funktionieren am besten, wenn sie schichtweise aufgebaut sind und Details nur dort berücksichtigt werden, wo sie für die Antwort relevant sind. Das Ziel besteht nicht darin, jeden Schalter in der Anlage zu modellieren. Das Ziel ist es, die Teile darzustellen, die das untersuchte Ereignis prägen.

Ein praxisorientierter Aufbau beginnt häufig mit einem reduzierten Netzmodell rund um den Netzanschlusspunkt, die Haupttransformatoren, die Mittelspannungsverteilung, USV-Anlagen, Batterieschnittstellen und die wichtigsten Steuerungen. Aggregierte Modelle können wiederkehrende Lastblöcke außerhalb des betroffenen Bereichs abbilden. Detaillierte Modelle bleiben auf den Sammelschienen, wo es auf die Genauigkeit der Wellenformen ankommt, wie beispielsweise am Netzanschlusspunkt, an einer schwachen internen Sammelschiene oder an einem Übertragungsweg zwischen Erzeugern.

Hier kommt es auf die Modelldisziplin an. Man benötigt validierte Regelparameter, glaubwürdige Quellstärken, realistische Schutzablaufzeiten und sinnvolle Aggregationsregeln. OPAL-RT eignet sich oft für diese Ausführungsphase, da es eine große Anzahl von Umrichtern, FPGA-basierte Berechnungund enge Zeitschritte unterstützen Ingenieur:innen unterstützen , die richtigen Details an der richtigen Stelle für RegelkreisuntersuchungenIngenieur:innen , anstatt ein überdimensioniertes Modell zu erstellen, das schwer zu verifizieren ist.

Hardware Tests EMT-Untersuchungen auf die Validierung von Reglern

„Man gelangt zu fundierteren technischen Einschätzungen, wenn die Methode mit den physikalischen Gesetzen übereinstimmt, und die EMT-Methode bewährt sich nur dann, wenn sie eine Frage beantwortet, die mit Phasor-Werkzeugen nicht zuverlässig geklärt werden kann.“

Hardware Tests wird die EMT-Arbeit von einer reinen Untersuchung zu einem Validierungsschritt. Sobald Sie den tatsächlichen Regler, das Relais oder das Schutzgerät an das simulierte Stromnetz anschließen, geht es nicht mehr nur darum, was das Modell vorhersagt, sondern darum, zu überprüfen, wie hardware Ihre hardware tatsächlich hardware .

Ein nützliches Beispiel ist ein USV-Controller in einem Rechenzentrum bei einem Busfehler. Ein reines software kann zwar die erwartete Spannungs- und Stromantwort darstellen, deckt jedoch keine zeitlichen Probleme bei einem digitalen Eingang, einen schlecht abgestimmten Filter in der Controller-Firmware oder eine Relaiseinstellung auf, die einen Zyklus zu früh auslöst. Tests diese Lücken Tests da das physische Gerät realistische Wellenformen wahrnimmt und reale Ausgangssignale an die Simulation zurücksendet.

Genau hier kommt es besonders auf eine disziplinierte Umsetzung an. OPAL-RT fügt sich nahtlos in diesen letzten Schritt ein, da diese Art von Arbeit oft eine schnelle EMT-Ausführung, I/O hohe I/O und eine auf Wandler ausgerichtete Modellierung auf einer einzigen Plattform erfordert, anstatt separate Studien- und Laboraufbauten zu nutzen.