はじめに
本記事は、マイクログリッド会議パネル2019のシリーズ第2回「Making Sure Your Microgrid Will Work」です：C-HIL（Controller Hardware In the Loop）とモデルベース・エンジニアリングによるリスク低減。
イートンのリージョナル・テクノロジー・マネージャーであるチアン・フーは、特別セッションのパネリストの一人である。同氏は、マイクログリッド、再生可能エネルギー、電力変換などの技術を特定、開発、検証する研究チームを率いている。
モデルベースのシステムエンジニアリングとコントローラーのHIL（Hardware-in-the-Loop）が、マイクログリッド開発における重要な課題を解決することについて語った。
マイクログリッドシステムインテグレーターの主な課題
フーは、複雑な電力系統を設計・テストする際に電力系統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）からのエネルギーは絶えず変動しており、制御が困難です。そして、この断続的な発電を制御するためには、エネルギー貯蔵、ディーゼル発電機、天然ガス発電機などの他の資産を追加することが極めて重要です。マイクログリッドのエネルギー・ミックスにさらに多くの要素が加わると、さまざまな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ります。
- 高価で危険なラボ試験 ｜ 電力業界が大電力システムに移行するにつれ、これらのメガワット・システムを試験するためのラボ・インフラを構築するコストが高くなります。また、機器を損傷させる可能性のある高電圧を使用するラボでのテストは、エンジニアにとってリスクが高い。
- オンサイト・エンジニアリング・コスト ｜試運転前の広範なテストや検証の欠如によるオンサイト・エンジニアリング・コストは、非常に高くつく可能性がある。試運転後にエラーを修正するには、多くのエンジニアリング努力が必要となる。また、停電やメンテナンスのダウンタイムにより事業が停止した場合、顧客にとっては損失となる。
- 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アプリケーションと設置場所に特化したカスタマイズ・モデルを設計する。マイクログリッド・モデルは、複数のコンポーネント・ベンダーによって、ダイナミクス、電気性能、通信プロトコル、さまざまな仕様が異なるため、再利用が困難である。電力システム・エンジニアは、新しいマイクログリッド・モデルを設計し、複数の仕様を持つ多く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しなければならない。
- 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、マイクログリッド制御機能の付加価値を潜在顧客に示すことができる。これには、あらゆる運転条件をクリアできる高度なコントローラー機能が含まれる。あるいは、特定の故障ケースや、グリッドからの予期せぬ切り離しのような過渡事象。また、設備に特有の様々な運転条件も含まれます。
マイクログリッドの役割 ｜電力会社とマイクログリッドの顧客
フーは、マイクログリッド開発者が電力システムを設計する際に役立つ、マイクログリッドの役割に関する2つの異なる視点を提供している。
電力会社にとって最大の関心事は、マイクログリッドが配電系統をどのようにサポートし、DERが電力系統に増えるにつれて系統の安定性を達成できるかということだ。配電系統の安定性を向上させるために、Fu氏は次のように付け加えている、
電力会社は、分散型リソースをどのように間接的にコントロールできるかに関心がある。
Fu氏は例としてデマンド・レスポンス・プログラムを挙げている。電力会社は、アンシラリー市場に参加することで、間接的にマイクログリッドのDERを制御することができる。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とることができる。顧客側、つまりマイクログリッドのエンドユーザーの立場から、Fu氏は次のように述べている、
彼らは、マイクログリッドがいかに運用コストを大幅に削減し、安定性と回復力を高めることができるかに注目している。
このような様々な観点から、アンシラリー市場への参加を可能にする高度なマイクログリッド・コントローラーの機能が必要となる。電力系統内の様々なDERと負荷を最適化する高度なコントローラー性能。
マイクログリッド・プロジェクトの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を使用するのが理にかなっているのでしょうか？イートン社の過去のマイクログリッド・プロジェクトにおけるHILの使用段階をFu氏が概説する。
ステージ1 ｜技術分析段階
これは、マイクログリッド・ソリューションが顧客にとって経済的に実行可能であるようにするための費用便益分析である。この分析に基づいて、さまざまな設計が提案される。
ステージ2 ｜デバイスの選択
次に、実際の配備で使用する機器を選択する。この部分は、既存のシステムを補強することも、コンポーネントの一部を後付けすることもできる。
ステージ3｜HILインテグレーション
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だ。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、その他のデバイスをシミュレーション用に統合する。
HILテスト ｜マイクログリッドコントローラーの数少ない変更点
実際のデバイスは、通信インターフェース、オートメーション機能、制御機能など、すでにプラットフォームに統合されているからだ、とフーは言う。
HILテストの後、実際のデバイスはすべてプラットフォームに統合されているため、マイクログリッド・コントローラーを現場に導入する際に、多くの変更を加える必要はない。
実際のコントローラーと実際のデバイスをテストすることで、現場での展開時にマイクログリッドのコントローラーを変更する必要はほとんどない。
HILテスト｜HILテストのメリット
メリットその1 ｜オンサイト・エンジニアリング・コストの削減
フーは、配備前の性能検証によって、最もコストと時間がかかりがちな現場でのエンジニアリングの必要性が大幅に軽減されると強調している。
エンジニアリングの労力、エンジニアリングの時間、そしてコストの削減に大いに役立っている。
彼のチームは、現場での限られたテストケースと比較して、コントローラのHILプラットフォームで無制限の動作シナリオをテストすることができます。HILで実際のコントローラを使用し、忠実度の高いテストカバレッジを実現することで、現場での不具合の可能性を大幅に減らすことができます。
メリットその2 ｜将来のマイクログリッド・プロジェクトのための標準モジュール
マイクログリッドは特定のアプリケーションやカスタム要件に合わせて開発されるため、ダイナミクス、電気的性能、通信プロトコルが異なり、マイクログリッドのモデルを再利用することが困難です。また、複数のコンポーネント・ベンダーからさまざまな仕様が提供されています。
HILは、マイクログリッドの制御設計とテストを加速する標準モデルを提供できる。これらの標準HILモジュールは、将来のマイクログリッド・プロジェクトに再利用することができます。また、モデルのパラメータを変更することで、特定のシナリオに適合させることができます。
メリットその3 ｜安全で効果的なリスク軽減
HILアプローチはまた、安全で効果的なリスク軽減を提供する。
エンジニアは、ハイパワー・コンバータ用の危険なハイパワー機器を使用して実際のシステムを破壊するリスクなしに、コントローラのファームウェアを安全にデバッグできる。
HILを使って実装前に実現可能性をテストすれば、そのようなシナリオを安全に回避できる。
メリット4｜コンセプト・デモでマイクログリッド・プロジェクトを勝ち取る
HILはエンジニアリングの手間を省くだけでなく、顧客を獲得するための重要なプラットフォームにもなり得る。
Fu氏は、HILによって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示すことができると付け加えた。これには、あらゆる運転条件をクリアできる高度なコントローラー機能が含まれます。あるいは、特定の故障ケースや、グリッドからの予期せぬ切り離しのような過渡現象。その他、設備に特有のさまざまな運転条件も含まれる。
最終的な収穫 ｜1つのツールで設計から試運転まで
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で使用できるワンストップのテストツールがあることだ。実際のシステムと並行して実行できるデジタル・ツインは、設計から試運転、メンテナンスまで役に立つだろう。
マイクログリッドのベンダーと協力することで、HIL企業は既存のベンダー仕様を継続的に更新することができ、マイクログリッドのエンジニアは電力系統のシミュレーションと評価を迅速に行うことができる。Fu氏は次のように述べている、
何かを抽象化してHILライブラリに入れることができれば、マイクログリッドのアプリケーション・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うかを確認できる。
マイクログリッドライブラリを使えば、マイクログリッドのアプリケーションエンジニアは、抽象的なモデルを素早くロードし、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することができる。
リアルタイム・コントローラーのHIL（Hardware-in-the-Loop Microgrid Testbed）は、マイクログリッドのライフサイクル全体を通して、マイクログリッドプロジェクトを加速させる1つ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 HIL
編集 ｜デボラ・サント
