FPGA-basierte Modellierung modularer Stromrichter für Rechenzentren – Untersuchungen zur Systemvernetzung und -integration

Rechenzentren gehören zu den am schnellsten wachsenden elektrischen Lasten in modernen Energiesysteme, wobei künftige Anlagen voraussichtlich Nennleistungen von mehreren hundert Megawatt erreichen werden. Eine derart groß angelegte Integration stellt die Netzstabilität vor erhebliche Herausforderungen und erfordert detaillierte Untersuchungen zur Bewertung von Strategien zur Risikominderung. Um zudem die Investitionskosten zu optimieren und Verluste zu reduzieren, ziehen Rechenzentren der nächsten Generation Gleichstrom-basierte Infrastrukturen sowie den Einsatz fortschrittlicher leistungselektronischer Topologien für den Anschluss an das Stromnetz in Betracht. Modulare Umrichter wie Halbleitertransformatoren (SSTs) haben sich hierfür als vielversprechende Lösung herausgestellt. Die Analyse der dynamischen Wechselwirkung zwischen diesen Umrichtern und dem Stromnetz ist jedoch anspruchsvoll und erfordert spezielle Modelle für elektromagnetische Transienten (EMT), da Hunderte von Halbleiterschaltern und deren mittelfrequenter Betrieb eine hohe Komplexität mit sich bringen. In diesem Beitrag wird ein FPGA-basierter Modellierungsansatz vorgeschlagen. Das Framework unterstützt Echtzeit-EMT-Simulationen sowie „ hardware-in-the-Loop“-Verfahren und ermöglicht so detaillierte Untersuchungen zur Integration von Rechenzentren. Das vorgeschlagene Modell wird anhand einer Fallstudie eines an ein zweigebietiges Stromnetz angeschlossenen Rechenzentrums validiert. Die Simulationsergebnisse belegen die Eignung des vorgeschlagenen Modellierungsansatzes zur Untersuchung der Auswirkungen der Integration von Rechenzentren auf die Netzleistung, einschließlich einer detaillierten Modellierung der Leistungselektronik. Die Ergebnisse zeigen, wie das Lastprofil des Rechenzentrums die Netzspannung und -frequenz beeinflusst und wie fortschrittliche Regelungsstrategien der Umrichter diese Auswirkungen abmildern können.