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3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。
シュナイダーエレクトリックのマイクログリッド事業のCTOであるアンディ・ハウンは、マイクログリッド会議2019のパネリストの一人である。同氏はシュナイダーエレクトリックにおいて、分散型エネルギー資源向けの高効率インバーターを備えたバッテリーベースのエネルギー貯蔵を含む効果的なグリッドエッジソリューションを簡素化し、実現するために、多くの重要な製品開発と技術革新を主導してきた。
アンディ氏は、シュナイダーエレクトリック社が電力系統制御の設計とテストのために、モデルベースのシステムエンジニアリングとマイクログリッドのHIL（Hardware-in-the-Loop）テストをどのように利用したかについて語った。
マイクログリッドの設計とテストにおける主な課題
システムは信頼できるものでなければならないため、導入と試運転の前に、起こりうるすべての問題を特定し、解決する必要がある。また、予期せぬシナリオに対するトラブルシューティング方法の開発も必要である。
ハウンは、システムインテグレーターが電源システムを設計・テストする際に直面するいくつかの大きな課題について指摘する：
課題その1｜コストのかかるパワーラボ試験
さまざまな運転シナリオやシステム障害をすべて物理的なラボでテストするのは、非常にコストと時間がかかる。複雑なマイクログリッドシステムにおける大電力コンバータは、高価な大電力ラボのインフラを必要とする。また、安全上の懸念や電力系統を損傷するリスクがあるため、電力ラボの環境ですべての運転シナリオを再現することは困難である。
電気系統にさまざまな電力品質の問題を発生させるのは難しい。
チャレンジ2 ｜コントロールの相互運用性
マイクログリッドの制御スキーマは、系統連系運転から島しょモード（インバーター＋バックアップ発電源など）へのスムーズな移行を可能にしなければならない。
エネルギー貯蔵、バックアップ発電、可変負荷、太陽光・風力・バッテリーシステムのインバーターなど、さまざまな分散型エネルギー資源（DER）の間には複雑な相互作用があり、高度な制御と通信システムが必要となる。
系統連系環境からインバーターベースの協調システムへと確実に移行できるのは、マイクログリッドの制御スキーマの一部だ。
挑戦その3 ｜リアルなモデル
Haun氏は、Schneider Electric社のハイブリッドDCマイクログリッドソリューションの成果を決定する上で、現実的なモデルの重要性について言及した。忠実度の高いモデルがなければ、シミュレーション中に自社製品で経験した困難のいくつかを実証することはできなかった。
直流出力特性やモデル特性のレスポンスは、いかにうまくモデル化するかにかかっている。
モデルベースエンジニアリングとHILへの2つのアプローチ
ハウンは、モデルベースエンジニアリングのアプローチとして、初期設計と設計検証の2つを挙げた。
解決策その1 ｜初期設計
シュナイダーエレクトリック社は、自社のマイクログリッド設計ツールTyphoon HILやその他のシミュレーションプロバイダー）を使用して、この初期モデルベースのアプローチから財務データを収集することができる。初期モデルでは、DERと負荷の挙動に関するデータも収集できます。
最初の設計段階の後、マイクログリッドのテストベッドを作成するために、コントローラーのハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）技術を用いて設計の検証が行われる。
解決策2 ｜デザインの検証
そこでHILの出番だ。
私たちは、ハードウェア・イン・ザ・ループやモデル・ベースのシステム・エンジニアリングを使って、その設計を検証するプロセスに入ります。
C-HILは、モデルベースエンジニアリングに基づいている。これは、リアルタイム・シミュレーションを使って組込み制御システムを開発し、テストするために使われる手法だ。マイクログリッドの電力段階はHILでシミュレートされ、保護リレー、マイクログリッド・コントローラー、ソーラー・インバーター、バッテリー・インバーター、ディーゼル発電機、その他のDERのコントローラーを含む実際のハードウェアとインターフェースされる。
C-HILでは、HILシステム内に実際のコントローラを使用することで、現場のシナリオを正確に表現する忠実度の高いモデルを作成することができます。C-HILは、マイクログリッドのコントローラー・ソフトウェアのテストと設計を、実地配備前と、配備後の制御ファームウェアのアップグレード時に可能にします。
マイクログリッド・ハードウェア・イン・ザ・ループ・テストの利点
Haun氏は、モデルベースのシステムエンジニアリングとマイクログリッドのHIL（Hardware-in-the-Loop）シミュレーションのテストベッドの主な利点を指摘している。
メリット1 ｜制御の複雑さと相互運用性を管理する
今日、ほとんどのマイクログリッドプロジェクトでは、システムインテグレーターがマイクログリッド内の新旧資産を調整する必要がある。スマート・インバータやサイバーフィジカル・コンポーネントが複雑化するにつれ、これらの資産には、制御の複雑さと相互運用性を管理するための高度な制御が必要となる。
VDCリサーチによると、設計プロセスの初期段階からライフサイクル全体を通してC-HILテストを使用することで、ソフトウェアのバグ数が38％減少し、バグ修正にかかるコストが60％削減されるという。
メリットその2 ｜忠実度の高いモデル
ハウンは、さまざまな運転条件を正確に再現し、チームが製品ソリューションを紹介できるような忠実度の高いモデルの必要性について言及した。
さまざまな状況を再現するために、ハードウェア・イン・ザ・ループ・ソリューションを使用してきました。
C-HILによって、ハウン氏のチームは、実際のマイクログリッド・コントローラー、保護リレー、DERインバーター制御と連動したマイクログリッド電力段のリアルタイム・シミュレーションを通じて、忠実度の高いモデルを作成することができる。
メリットその3｜テストカバレッジの拡大
インテグレーターは、物理的なラボの電力やスペースに制限されることはありません。これにより、システムコンポーネントをテストするためのカスタマイズ可能なモデルのテスト範囲が広がり、より正確なアウトプットを得ることができます。
このような変化は、電力系統に制御を統合する前に、リアルタイム・シミュレーションで安全にモデル化し、観察することができる。モデルベースの環境は、系統からインバータへの切り替えの途中でシャットダウンするリスクがあるため、システム移行をテストする上で特に重要である。
メリットその4 ｜市場投入までの時間が短縮される
シミュレーションは、従来のラボテストよりも早く建設的なフィードバックを提供できるため、新しい機能や特徴をより迅速に導入することができる。
さらに、イートンの地域技術マネージャーであるQiang Fuによれば、システムの柔軟で忠実度の高いデジタル・テストに頼ることで 、必要な工数を平均20-30％削減することができる。
メリットその5｜ライフサイクル・メンテナンス
マイクログリッドの運用とメンテナンスの要件は、システムが継続的にアップグレードされるにつれて変化する。
HILとC-HILを通じて、デジタルツインは、配備前のアップグレードのテスト、相互運用性の問題のテスト、トラブルシューティング、ソリューションの最適化に使用される。
つまり、テスト目的でハードウェアとソフトウェアのデジタルツイン環境の両方をオンラインで稼働させているわけだ。
システムは、デジタル・ツインを介して、デバイスのトリップ、オフライン、移行中のシャットダウンのリスクをテストすることができる。
最終的な収穫 ｜1つのツールで設計から試運転まで
システムインテグレータは、電力系統制御の設計と試験を行う際にいくつかの課題に直面します。これらの課題には、コストのかかる電力ラボ試験、制御の相互運用性、システム障害や電力品質の問題を正確に再現できるモデルの忠実度などが含まれる。さらに、コストとROIの正確な分析も、マイクログリッドプロジェクトの設計と試運転のハードルとなっている。
シュナイダーエレクトリックは、モデルベースエンジニアリングとマイクログリッドコントローラーのハードウェア・イン・ザ・ループ試験に頼ることで、これらの課題を克服しています。このアプローチの主な利点は、技術革新の迅速化、制御の相互運用性の保証、工数の削減、市場投入までの時間の短縮、テスト範囲の拡大です。
システムインテグレーターは、設計からポストコミッショニングまで、マイクログリッド・プロジェクトのライフサイクル全体を通して、マイクログリッドのハードウェア・イン・ザ・ループ・テストベッドを使用することができる。これにより、より優れたマイクログリッドを構築することができる。
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
