はじめに| NHOAエナジーの概要
NHOA Energyは、ユーティリティ規模のバッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）を提供するグローバル企業であり、ターンキー方式の設計・調達・建設（EPC）プロジェクトに加え、よりクリーンで強靭な電力システムへの移行を支援する先進的なシステム統合ソリューションを提供しています。
欧州、オーストラリア、アジア、南北アメリカで事業を展開する同社は、パワーコンバージョンシステム（PCS）、エネルギー管理システム（EMS）、発電所制御システム（PPC）などの独自技術と、プラント統合に関する深い専門知識を融合させ、世界中の各電力市場の具体的な要件に合わせた高性能なエネルギー貯蔵ソリューションを提供しています。
NHOA Energyは、エンジニアリングや製造から試運転、長期運用に至るまで、プロジェクトのライフサイクル全体を管理し、電力会社、独立系発電事業者、送電系統運用事業者に対し、信頼性が高く、資金調達が容易で、送電網の要件を満たすエネルギー貯蔵インフラを世界中で導入できるよう支援しています。
最高水準の品質を確保し、試運転時のリスクを最小限に抑えるため、NHOA Energyは、制御ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）試験をはじめとする先進的な検証手法に継続的に投資しています。このアプローチにより、同社は現場への導入前に、現実的なデジタル環境下で複雑な制御アーキテクチャの検証を行うことが可能となり、プロジェクトのリスクを大幅に低減すると同時に、納期を短縮しています。
課題| BESSプロジェクト
BESSプロジェクトは、デジタル検証が、極めて複雑なユーティリティ規模の環境において、プロジェクトの遂行をいかに簡素化できるかを示す優れた事例となっています。
オーストラリアに拠点を置き、既存の高圧（HV）変電所を通じて国家送電網に接続されているNHOA Energy社が提供する本バッテリープロジェクトは、2時間の蓄電能力を持つ発電所であり、以下の高度な機能を通じて電力系統を支援するように設計されています：
- 周波数制御付帯サービス（FCAS – P(f)）
- 電圧調整サービス (Q(V))
- SAIT RAS サービス（ファスト・リザーブ）
- 卸売電力市場への参加
多くの大規模商用BESSと同様に、本稿で紹介するバッテリープロジェクトも、設計、建設、システム統合、および送電網への適合といった各分野を担当する複数のステークホルダーが関与する複雑な組織構造を特徴としていた。図1に示すように、以下の組織間の調整を行い、それぞれの技術間のシームレスな連携を確保することは、本プロジェクトにおける主要な技術的課題の一つであった：
- 関係するオーストラリアの送電網当局としては、送電網サービス事業者（TNSP、ElectraNet）および市場運営機関（AEMO）があり、これらは発電所の系統連系承認を監督するとともに、発電所所有者にとっての市場との窓口としての役割を果たしています。
- オーナーは、エンジニアリングコンサルタントの支援を受け、EPC請負業者による合弁事業を通じて、このプラントの建設を発注した。
- EPC請負業者1は、現場の建設工事および高圧変電所への接続を担当した。この請負業者は、電力変換システム（PCS）、プラント付帯設備（BoP）、SCADA、変電所ゲートウェイ、およびITインフラの供給を、複数の下請業者に委託した。
- EPC請負業者2（NHOA Energy）は、システム統合および発電所制御装置（PPC）とバッテリーシステムの供給を担当した。
プロジェクトのステークホルダー間における責任の複雑さと分担は、そのまま極めて複雑な制御システムアーキテクチャへと直結した。BESSと電力系統間の電力交換を制御しつつ、系統支援サービスの要件への準拠を確保するという責任は、異なるプロジェクト参加者が提供する複数のデバイスに分散されていた。
具体的には、電力制御チェーンは次のように構成されている（図2を参照）：
- 系統支援サービスコマンドは、所有者の市場システムを通じて、あるいはTNSPインターフェースを経由して、PPC規制当局に送信されます。
- PPC規制当局は、その要求を処理し、集計された電力設定値をPPCディスパッチャー（PEMS Core）に送信します。
- PEMSコアは、オンライン最適化アルゴリズムを実行してPCS固有のセットポイントを算出し、光ファイバー通信リングを介して各PEMSバッテリー発電ユニットに配信します。
- 各PEMSバッテリーユニットは、PCSからの設定値を受信し、それを処理した上で、PCS制御ボードに転送します。
- PCS制御ボードはコマンドを処理し、発電を開始します。
- 最後に、PPC制御器は高電圧電力計（PQM）からの電力フィードバックを読み取り、閉ループ制御を通じて集約された設定値を調整します。
この種の分散型制御チェーンには、試運転において2つの大きな課題があります：
- 各制御段階において複数の通信遅延が生じ、制御全体の安定性に影響を及ぼす可能性がある。
- 相互に連携するデバイスが多数関与しているため、トラブルシューティングは困難になる場合があります。
これらの問題を現場での試運転中にのみ特定・解決しようとすると、プロジェクトのリスクが大幅に高まり、試運転の期間が長期化するほか、複数のサプライヤーとの緊密な連携を並行して行う必要が生じ、調整の複雑さとコストが増大することになります。このため、NHOA Energy社は、導入前に代表的なデジタル環境において、制御アーキテクチャ全体を検証することを目指しました。
ソリューション| C-HIL による研究Typhoon HIL
標準的なモデル・イン・ザ・ループ（MIL）やソフトウェア・イン・ザ・ループ（SIL）の手法と比較して、コントロール・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）では、閉ループに統合された複数の実際の被試験装置（DUT）を、同じ高忠実度のリアルタイムシミュレーションを用いて評価することが可能であり、これによりBESSプラントのデジタルツインを効果的に構築することができます。
複雑なプロジェクトのリスクを低減し、納品品質を向上させるため、NHOA Energyは、NHOA Energy製の機器（冗長化されたPEMS CoreおよびPEMS Batteryユニット）に加え、PPCレギュレータ、PCS制御ボード、電力計などのサードパーティ製機器を含む、関連するすべての制御ハードウェアを統合したC-HILテストベンチを活用しました。
このテストベンチには、分割された電気モデルを並列実行するためのTyphoon HIL 社のフラッグシップ製品であるHIL606デバイス2台と、増幅されたアナログ信号を介してリアルタイムシミュレーションと電力計を接続するためのHIL Connect デバイスが搭載されていた（図3参照）。
Typhoon HIL のSchematic Editor 環境において、系統連系型BESSをモデル化するため、NHOA Energyは、低電圧（LV）側に1つの発電ユニット（PCS）のみが接続されている単一PCSパラメトリック手法を採用した（図4参照）。パワーゲインブロックは、単一のPCSによって発電された電力を、プラント全体に必要な出力に合わせてスケーリングする。
MV/LV変圧器は、低圧（LV）側と中圧（MV）側を接続し、中圧側では高調波フィルタおよび補助負荷がモデル化されています。オンラインタップ切換器を備えたHV/MV変圧器は、中圧（MV）側と高圧（HV）側を接続し、高圧側では系統モデル、設定可能な系統インピーダンス、系統故障シミュレータ、および接続点（PoC）の測定信号が実装されています。
調整可能なスケーリング係数により、同一モデルを迅速に再コンパイルして、稼働中のPCS発電ユニットの台数が異なる状況を表現することができます。変圧器の損失、補助負荷、および必要に応じて系統インピーダンスも、それに応じて自動的に再スケーリングされます。このモデリング手法により、さまざまな運転条件や発電レベルにわたって制御システムの性能を評価することが可能になります。
系統連系型BESSモデルをリアルタイムで制御するために、Typhoon HIL のSCADAパネル（図5に示す通り）が、PCS制御ボード（Modbus TCP）およびPPC（DNP3）との直接かつ高精度な通信を実現しています。 また、このパネルにより、高調波フィルタや補助負荷用遮断器、高圧/中圧タップ切換器の位置、系統波形およびインピーダンスパラメータなど、電気量やプラント構成要素との相互作用も可能になります。
NHOA Energyは、系統連系型BESSのこのデジタルツインを活用し、分散型制御アーキテクチャ全体を微調整するとともに、現場での試運転作業が始まる前に、制御の安定性と系統規則の要件への準拠を確保しました。
このアプローチにより、チームはシステムの重大な問題のほとんどを事前に特定し、対処することができ、全体的な納品プロセスを大幅に加速させることができた。
正式な現場受入試験中に測定された実プラントの応答と、C-HILシミュレーション結果とのベンチマーク比較により、過渡応答および定常状態の精度の双方において、高い相関が確認された。これらの結果により、BESSデジタルツインの再現性が最終的に実証された（図6参照）。
HILのメリット| 結論と重要なポイント
Typhoon HIL- 同技術を活用したBESSデジタルツインにより、NHOA Energyはプロジェクトの課題を事前に把握し、高い精度でシステム性能を予測できるようになり、送電網への接続を加速させるとともに、プロジェクトの品質向上を実現しています。
そのメリットは、プロジェクトの遂行にとどまりません。NHOA Energyは、システムの導入後も引き続きこの技術を活用し、顧客からの変更依頼を安全に評価・実施するとともに、稼働中のプラントで発生した問題を再現・トラブルシューティングしています。その結果、この技術は、NHOA Energyの継続的なイノベーション能力と卓越したサービス提供への取り組みを支える重要な要素となっています。
この機能により、エンジニアリングチームは、顧客の運用リスクを最小限に抑えつつ、プラントのパフォーマンスを継続的に向上させることができます。
Typhoon HIL を基盤としたC-HIL試験は、NHOA Energyにおけるイノベーションの重要な原動力Typhoon HIL 、開発の加速、困難な運用条件への対応、送電網への適合性の確保、そして信頼性の高いBESSソリューションをシミュレーションから実運用へと移行させる上で、大きな役割を果たしています。
ステファノ・パネ
制御システムエンジニア
NHOA Energy
