はじめに
コントローラー・ハードウエア・イン・ザ・ループは、実際の検証や実装の前に非常に重要で必要なステップである。
ノースカロライナ州立大学のFREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）システム・センターでは、米国の大学と産業界のパートナーが、高度なパワーエレクトロニクスを使った電力網の近代化に取り組んでいる。
FREEDMシステムセンター創設メンバーの一人であるスバシシュ・バタチャリヤ博士は、DCマイクログリッドを含むパワーエレクトロニクスと電力システムを研究している。
Bhattacharya博士は、C-HIL（Controller Hardware-in-the-Loop）が、DCマイクログリッド・コントローラーの設計、検証、テストのサイクルタイムを、学界から産業界へとどのように短縮したかを論じている。
DCマイクログリッドの制御プラットフォームを設計、実装、検証する前に解決しなければならない主な課題とは？
DCマイクログリッドにさまざまな負荷源を統合する場合、大きな課題は、これらの負荷と電源をどれだけうまくモデル化できるかということである。また、これらの間の相互作用の可能性についても常に疑問が残る。
私たちは、制御装置が設計された負荷やソースを制御するだけでなく、あらゆる種類の振動や異なる負荷やソース間の相互作用を抑制できるように設計する必要がある。言い換えれば、これらの制御装置はスマートで機敏でなければならない。
リアルタイム・シミュレーション・システムと比較して、オフライン・シミュレーションの限界はどうでしょうか？
オフライン・シミュレーションには大きな限界があります。私たちのコントローラは、負荷や電源だけでなく、コントローラの非理想性も考慮せずに理想的になりがちです。パワーエレクトロニクスにおけるこれらの非理想性は、しばしば制御の相互作用の原因となります。また、シミュレーションでは、コントローラのすべてのコーナーケースを調査することはできません。
マイクログリッドコントローラーの実装と検証の前に、なぜコントローラーのHIL（Hardware-in-the-Loop）プラットフォームが必要なのか？
コントローラーのハードウェア・イン・ザ・ループは、実際の検証や実装の前に非常に重要で必要なステップです。そして、実際のハードウェアが目の前にあるかのようにコントローラを設計します。
また、オフライン・シミュレーションでは不可能な、あらゆる種類のシステム外乱を高精度かつ正確にエミュレートすることができる。
このC-HILシステムによって、御社のコントローラの設計とテストのプロセスがどの程度加速されたのか、概算で教えていただけますか？
小型の直流マイクログリッドシステムの場合、Typhoon なしで3カ月から4カ月をほぼ1、2週間に短縮できると言っていいだろう。
Typhoon HILシステムのセットアップについて簡単に教えてください。
私たちは、 Typhoon HILシステム1台を使って、バックボーン・システムと考えられる私たちのシステムをエミュレートしました。これで、あたかも実際のシステムがあるかのように表現でき、バックボーンとして実際のDCバスがあります。このバス上で、あらゆる種類の妨害、故障、あらゆる種類の標準ケース、満たす必要のある規制を作り出すことができます。
そして、そのシステムから負荷やソースとしてぶら下がっている他のTyphoon ある。つまり、Typhoon 接続された本物のコントローラーがあり、Typhoon 本物のパワーエレクトロニクス・コンバーター・システムをエミュレートしているのです。
あなたの経験から、DCマイクログリッドの負荷、電源、その他のコンポーネントのモデルはどの程度現実的ですか？
Typhoon 、実際のコンバーター、実際のスイッチング・コンバーターをエミュレートできるので、平均的なモデリングは必要なく、非常に現実的だ。外挿も必要ありません。目の前に本物のコンバーターがあるかのように扱うことができる。DC-DCコンバーターかもしれない。DC-AC、AC-DC、あるいは実際のスイッチングを伴うAC-ACコンバーターかもしれない。なぜなら、実際のシステムに対応したコントローラーを設計することになるからです。
一旦Typhoon システム上でコントローラーの検証を行えば、実際のコンバーターに取り付ける前にコントローラーに変更を加える必要はありません。
それは力強いことだ。
通信プロトコルについて話そう。DCマイクログリッド制御用の完全なModbus通信ネットワークをどのようにテストしたのですか？
Modbusはマスター・スレーブ方式で動作します。Modbusマスターから他のTyphoon 通信を設定しました。これは実際の実装や産業用実装とまったく同じです。つまり、これは実際のシナリオをほぼ模倣している。
サイバーセキュリティについてはどうですか？C-HILによるサイバーセキュリティ攻撃を防ぐために、フールプルーフ通信プロトコルをどのようにテストしたのですか？
サイバーセキュリティの観点から、私たちはいくつかのことを試してみた。ひとつは、システムが完全に安全であることを確認するために、サイバーセキュリティを組み込んだIC 61850のような洗練されたプロトコルに入ることができるということです。Modbusでは、ハッキングのようなものをエミュレートし、1つの端末に座っているだけでさまざまなコントローラーの情報を引き出すことができました。
私たちは、どのようなファイアウォールやどのような機能を組み込む必要があるかを紹介しようとしています。DCマイクログリッドの内部からではなく、外部からの要求であることをコントローラーが把握できるようにするのです。それが、私たちが実装し、展示することができたものです。
産業界で経験を積んだ学者として、この技術が商業的な観点からも有用であることについて、あなたは非常に興味深い視点を持っていると思います。このループ内のハードウェアは、研究室での設定から産業界へのフィールド展開への移行にどのように役立ちましたか？
ハードウェアがループ内にあることで、活発な研究からフィールド展開や産業検証への移行にかかるサイクルタイムが大幅に短縮されるんだ。
最も重要なことは、Typhoon 本物のコンバーターをエミュレートしているということだ。
コントローラーの観点からは、Typhoon ボックスと実際のコンバーターシステムとの間に違いはありません。そのため、設計通り、実際のシステムで検証通りに動作するという非常に高い信頼性を持っています。そのため、実システムへの移行は非常に短時間で済みます。
研究資金を獲得し、研究を発表するために、研究者としてどのように役立ちましたか？
資金調達の観点からは、多くのシナリオを非常に迅速に試すことができ、実際のハードウェアでは不可能な条件や故障状態をエミュレートすることができる。このラピッド・プロトタイピングのコンセプト全体、つまり、すべてのコーナーケースを素早く確認することで、非常に包括的なテストケースを作ることができるのです。
そのため、未知の部分や疑問をすべて取り除くことができる。そして、資金提供の審査員が通常抱く疑問に答えるのに非常に役立ちます。
学術ジャーナルは、完全なハードウェアの結果ではなく、HILの結果を受け入れるのですか？
私の経験では、彼らはHILの結果を受け入れる。それでもまだ疑問がある場合は、基本的に1つのHIL結果と1つのハードウェア結果を検証する必要があります。繰り返しになりますが、私の経験では、HILの結果は実際に受け入れられます。なぜなら、HILの結果とハードウェアの結果が互いの上にあることを、私たちは研究を通じて明らかにしているからです。
では、他のHILソリューションと比較して、Typhoon HILを使用した経験をどのように説明しますか？
私がいつも言えることは、 Typhoon HILを使った生徒たちの学習曲線が最も短かったということです。そして、タイフーンHILは最も堅牢なシステムを提供してきたと言える。
そのため、生徒たちは非常に早く興味を持ち、いろいろなことを探求できるようになり、モチベーションを高めることができるようになった。
Typhoon 他のリアルタイムシステムと比較して際立っているのは、その堅牢性と使いやすさだと思う。
あなたの研究において、この技術の最大の可能性は何ですか？
私たちは、論文や研究を通して、実際のシステムで複数のタイフーンを一緒に使う方法を実装し、示すことができました。ただ単にタイフーンを複数使うという観点ではなく、現場で目にするような実際のシステムをエミュレートするのです。世の中のものは分散しているので、パワーエレクトロニクスで分散制御システムをエミュレートすることになる。
HILでの経験を一言で表すと？
素晴らしい。
クレジット
著者 ｜サマンサ・ブルース
ビジュアル ｜FREEDMセンター
編集部 ｜デボラ・サント
