はじめに
本記事は、マイクログリッド会議パネル2019「マイクログリッドの確実な稼働：コントローラハードウェアインザループ（C-HIL）とモデルベースエンジニアリングによるリスク低減」シリーズの第2弾です。
イーソンの地域技術マネージャーであるQiang Fu氏は、特別セッションのパネリストの一人であった。同氏は研究チームを率い、マイクログリッド、再生可能エネルギー、電力変換技術などの特定、開発、検証を行っている。
彼は、モデルベースシステムエンジニアリングとコントローラハードウェア・イン・ザ・ループがマイクログリッド開発において解決する主要な課題について語った。
マイクログリッドシステムインテグレーターが直面する主な課題
フーは、複雑な電力システムの設計と試験において電力システムインテグレーターが直面する主な課題について言及している：
- マイクログリッド制御性能の最適化| 再生可能エネルギー資源（DER）からの電力は絶えず変動し、制御が困難である。この間欠的な発電を制御するには、エネルギー貯蔵装置、ディーゼル発電機、天然ガス発電機などの資産を追加することが極めて重要だ。マイクログリッドのエネルギー構成要素に追加要素を加えることで、様々なDERコンポーネントの制御を最適化することが非常に難しくなる。
- 高価でリスクの高い実験室 試験｜ 電力業界が高出力システムへ移行する につれ 、これらのメガワット級システムを試験するための実験室インフラの構築コストは増加している。また、機器を損傷させる可能性のある高電圧電源を用いた実験室での試験は、技術者にとってリスクも伴う。
- 現場でのエンジニアリング費用 | 試運転前の十分なテストや検証不足による現場でのエンジニアリング費用は、非常に高額になる可能性があります。試運転後のエラー修正には多大なエンジニアリング作業を要します。また、停電やメンテナンスによるダウンタイムで事業が停止した場合、顧客にとって損失となります。
- 再利用可能または反復可能なモデル | マイクログリッドのアプリケーションエンジニアは、マイクログリッドの用途と設置現場に特化したカスタムモデルを設計します。マイクログリッドモデルは、動的特性、電気的性能、通信プロトコル、および複数のコンポーネントベンダーによる様々な仕様が異なるため、再利用が困難です。電力システムエンジニアは、新たなマイクログリッドモデルを設計し、複数の仕様を持つ多数のマイクログリッドコンポーネントベンダーの中から選択する必要があります。
- 新規マイクログリッド顧客の獲得 | システムインテグレーターは、潜在顧客に対して自社のマイクログリッド制御機能の付加価値を示すことができます。これには、あらゆる運転条件をクリアできる高度な制御機能が含まれます。具体的には、特定の故障ケースや、グリッドからの予期せぬ切断といった過渡現象、さらに設置環境固有の様々な運転条件への対応能力です。
マイクログリッドの役割 ｜電力会社対マイクログリッド顧客
フーはマイクログリッドの役割について二つの異なる視点を提供しており、これらは電力システム設計時にマイクログリッド開発者にとって有用である。
電力会社にとっての主な関心事は、分散型エネルギー資源（DER）が電力システムに追加されるにつれ、マイクログリッドが配電システムをどのように支え、システムの安定性を達成できるかである。配電システムの安定性を向上させるため、フー氏は次のように付け加える。
公益事業者は、分散型資源をいかに間接的に管理できるかに関心を寄せている。
傅氏は需要応答プログラムを例に挙げる。電力会社は補助市場への参加を通じて、マイクログリッドの分散型エネルギー資源（DER）を間接的に制御できる。このプログラムに参加することで、電力会社は家庭の負荷を制御し、配電システムのバランスを調整できる。顧客側またはマイクログリッドのエンドユーザーについては、傅氏は次のように述べている。
マイクログリッドが運用コストを大幅に削減し、より安定かつ強靭なシステムを実現する方法を検討している。
これらの多様な視点には、補助市場への参加を可能にする高度なマイクログリッド制御機能が必要である。電力システム内の様々な分散型エネルギー資源（DER）と負荷を最適化する高度な制御性能が求められる。
マイクログリッドプロジェクトライフサイクルにおけるHIL利用の段階
マイクログリッドのライフサイクルのどの段階でHIL（ハードウェア・イン・ザ・ループ）を使用するのが合理的か？ Fuは、Eatonにおける過去のマイクログリッドプロジェクトにおけるHIL使用の段階を概説する。
ステージ1 | 技術分析段階
これは、マイクログリッドソリューションを顧客にとって経済的に実現可能なものとするための費用便益分析である。この分析に基づき、異なる設計案が提案される。
ステージ2 | デバイス選択
次に、実際の導入で使用されるデバイスが選択されます。この部分は、既存システムを拡張するか、その構成要素の一部を改修するかのいずれかとなります。
ステージ3| HIL統合
次のステップは、そのハードウェアをHILプラットフォームに統合することです。実際のマイクログリッドコントローラー、通信インターフェース、およびその他のデバイスをシミュレーション用に統合します。
HIL Tested | マイクログリッド制御装置のわずかな変更
実際のデバイスは既にプラットフォームに統合されている——通信インターフェース、自動化機能、制御機能——とフー氏は述べる。
HILテスト後、マイクログリッドコントローラを現場に導入する際には、実際のデバイスがすべてプラットフォームに統合されているため、大幅な変更を加える必要はありません。
実際のコントローラと実機をテストすることで、現場導入時にマイクログリッドコントローラを変更する必要はほとんどない。
HIL Tested | HILテストの利点
メリット1 | 現地エンジニアリングコストの削減
フーは、導入前の性能検証が、最もコストと時間を要する傾向にある現地でのエンジニアリング作業の必要性を大幅に削減することを強調している。
これにより、エンジニアリングの労力、工数、そしてコストを大幅に削減できます。
彼のチームは、現場での限定的なテストケースと比較して、コントローラハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）プラットフォーム上で無制限の運用シナリオをテストできる。HIL環境における実コントローラを用いた高忠実度での広範なテストカバレッジは、現場での故障発生率を大幅に低減するのに役立つ。
メリット #2 | 将来のマイクログリッドプロジェクト向け標準モジュール
マイクログリッドは特定の用途やカスタム要件向けに開発されるため、動的特性、電気的性能、通信プロトコルが異なることから、マイクログリッドモデルの再利用は困難である。さらに、複数のコンポーネントベンダーによる様々な仕様が存在するためである。
HILはマイクログリッド制御設計とテストを加速できる標準モデルを提供します。これらの標準HILモジュールは将来のマイクログリッドプロジェクトで再利用可能です。またモデルパラメータを変更することで特定のシナリオに適応できます。
メリット #3 | 安全かつ効果的なリスク軽減
HILアプローチは安全かつ効果的なリスク軽減も提供します。
エンジニアは、高電力コンバータ向けに危険な高電力機器を使用することで、実際のシステムを破損するリスクなしに、安全にコントローラファームウェアのデバッグを行うことができます。
実装前にHILを用いて実現可能性をテストすることで、このようなシナリオを安全に回避できる。
メリット #4| 概念実証デモでマイクログリッドプロジェクトを獲得
HILはエンジニアリングの労力を削減するだけでなく、顧客を獲得するための重要な基盤となり得る。
フー氏はさらに、HILにより自チームがマイクログリッド制御機能の付加価値を潜在顧客に迅速に提示できると述べる。これには、あらゆる運転条件をクリアできる高度な制御機能や、特定故障ケース、グリッドからの予期せぬ切断といった過渡現象、さらに設置環境固有の各種運転条件が含まれる。
最終的な要点 | 設計から試運転までの1つのツール
理想的なシナリオは、マイクログリッドのライフサイクル全体に使用できるワンストップのテストツールを用意することです。実際のシステムと並行して稼働できるデジタルツインは、設計から試運転、保守に至るまで有用です。
マイクログリッドベンダーとの連携により、HIL企業は既存ベンダー仕様を継続的に更新できるため、マイクログリッドエンジニアは電力システムを迅速にシミュレーション・評価できる。フー氏は述べた。
何かを抽象化してHILライブラリに組み込めば、マイクログリッドアプリケーションエンジニアはそれをロードするだけで、どのコントローラを使用すべきか判断できる。
マイクログリッドライブラリを使用することで、マイクログリッドアプリケーションエンジニアは抽象モデルを迅速に読み込み、使用するコントローラを決定し、コントローラの性能を評価できます。
リアルタイム制御器を備えたハードウェア・イン・ザ・ループ型マイクログリッド試験装置は、マイクログリッドのライフサイクル全体を通じてプロジェクトを加速させる唯一のツールとなり得る。
クレジット
著者 | サマンサ・ブルース
ビジュアル | Typhoon
編集者 | デボラ・サント
