はじめに
近年、持続可能でエネルギー効率の高いソリューションに対する世界的な需要が劇的に拡大している。この転換を支える重要な基盤技術の一つがパワーエレクトロニクスであり、電気自動車、再生可能エネルギーシステム、スマートグリッドなど幅広い現代技術を支える分野である。これらの技術は産業界や学界の関心を集めているだけでなく、その普及を加速させるための金融投資や公共政策インセンティブの焦点ともなっている。
信頼性、性能、適応性に対する高まる期待に応えるため、パワーエレクトロニクスシステムの開発、試験、検証手法を改善する新たな方法論とツールが模索されている。こうした状況下で、デジタルツイン技術は、リアルタイムシミュレーション、双方向通信、モデルベース設計を統合し、実物理システムを動的かつ正確に表現する強力な概念として台頭してきた。
デジタルツインの概念に基づき、Typhoon HIL シミュレータを用いて実装された実験プラットフォームは、パワーエレクトロニクスの研究および実験において大きなメリットをもたらしています。 Typhoon HILハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）機能を活用することで、これらのプラットフォームは精度、柔軟性、および速度を向上させ、高度なアルゴリズムを搭載した実際のコントローラの安全な評価、故障状態のシミュレーション、およびリアルタイムでのパラメータ変動試験を可能にします。これらすべてを、パワーステージの物理的なプロトタイピングに伴うリスクを一切伴わずに実現します。
課題
デジタルツインとは、実在する物理システムの仮想的な表現である。デジタルツイン技術は、工学プロジェクトの開発を支援するため、産業界や大学でますます採用が進んでいる。この表現を効果的にするためには、物理的コンポーネントと仮想的コンポーネント間の同期と双方向通信が不可欠である。
デジタルツインの主な目的は、システムの挙動を理解し、結果を予測し、性能を最適化し、メンテナンスの必要性を予測することです。 例えば、電力系統に接続された電子コンバータを考えてみましょう。その基本動作は制御装置によって管理されています。時間の経過とともに、電力系統やコンバータの物理的構成要素の変化により、制御アルゴリズムの更新が必要になる場合があります。デジタルツインを導入することで、こうした変化を迅速に検知し、仮想モデルの更新に活用できます。更新されたモデルは、物理システムに実装する前に新しい制御戦略をテストするために使用できます。
Typhoon HIL シミュレータを使用することで、このプロセスはさらに効率的かつ正確になります。HIL環境では、物理コントローラがパワーステージの高忠実度仮想モデルとリアルタイムで連携することができます。この構成により、制御アルゴリズムが実環境と同様に動作することが保証され、テスト結果の品質と信頼性が大幅に向上します。
仮想モデルがHILリアルタイムシミュレータ上で動作すると、デジタルツイン技術の利点が完全に発揮される。例えば、電力系統の妨害をシミュレートし、コンバータの応答を観察できる。その後、制御アルゴリズムを仮想環境で適応させ、徹底的にテストし、最終的に物理システムに展開できる。
物理システムから仮想モデルへリアルタイム測定値を送信し、制御信号を物理コンバータへ戻すという双方向通信（図1参照）は、このアーキテクチャにおいて極めて重要な役割を果たしています。Typhoon HIL 、物理コントローラとの正確なリアルタイム同期に不可欠な、超低遅延とナノ秒レベルのシミュレーションステップを実現し、この通信を効果的にサポートすることが実証されています。
さらに、仮想環境内で確率論的・統計的モデルを活用することで、新たな制御戦略の検証時に部品故障を予測することが可能となる。この予測能力はシステムの信頼性を高め、より情報に基づいた先を見据えた意思決定に寄与する。
解決策
リアルタイムシミュレーションのリアリティをさらに高めるため、制御アルゴリズムの実行には外部マイクロコントローラを組み込み、一方、パワーステージは仮想モデル内に残しています。このHIL構成は実世界の動作を忠実に再現し、高忠実度の試験環境を提供します。Typhoon HILを用いた本研究では、システムを以下の通り、複数のドメインにまたがってモデル化しました：
- 電気的特性、これには詳細な回路構成とスイッチング特性が含まれる。
- Thermal（サーマル）は、半導体における熱放散と熱応力をシミュレートする。
当社のモデルは、ナノ秒（半導体のスイッチング）から秒（エネルギーおよび電力の変動）に至るまで、複数の時間スケールを網羅しています。このような高負荷で、多スケールかつ多領域にわたるモデルをリアルタイムで実行するには、Typhoon HIL 計算性能が不可欠です。
当社のデジタルツインプラットフォーム（図2に設定例を示す）は多機能性を備え、幅広いプロジェクトや研究活動をサポートするように設計されています。応用例にはDC-ACコンバータ、系統連系システムおよび独立系システム、アクティブフィルタ、制御整流器などが含まれます。
デジタルツインの重要な特徴は、物理的な実機動作に応じてモデルを動的に適応させる能力にあります。我々の研究では、Typhoon HIL404上でリアルタイムに動作するパワーステージモデルを、可変受動素子を調整することで定期的に（用途に応じて数分～数時間ごとに）更新しています。 これらのパラメータは、物理的なコンバータとHILモデル間の、インダクタ電流やコンデンサ電圧といった選択されたコンバータ変数の二乗誤差を最小化する最適化アルゴリズムを通じて調整されます。これにより、デジタルツインは物理システムを継続的に反映し、パラメータが固定されたモデルと比較してより高い精度を実現します。
また、粒子群最適化（PSO）など、物理システムのパラメータ変動に応じて仮想モデルを調整できるその他の適応アルゴリズムも開発しています。こうした革新的な取り組みは、Typhoon HIL 高度なHIL機能と計算能力によって実現されています。
技術的な革新にとどまらず、これらのプラットフォームは教育面でも大きな価値を提供しています。これらは学部、修士、博士課程レベルの実践的なトレーニングに積極的に活用されており、学生たちは最先端のパワーエレクトロニクスやデジタルツイン技術を直接体験することができます。Typhoon HIL使いやすいインターフェースと包括的なシミュレーション環境は、学術的なトレーニングや産学連携に最適なツールとなっています。
HILのメリット
世界は、電気自動車が交通手段の主流となり、再生可能エネルギーが電力供給に占める割合が増大し、スマートグリッドがエネルギー配分を最適化する未来へと向かっています。パワーエレクトロニクスは、この変革において極めて重要な役割を果たしています。Typhoon HIL リアルタイムシミュレータによって支えられたデジタルツイン・プラットフォームは、システム設計、検証、および保守において、より深い洞察、高い柔軟性、そして精度の向上をもたらすことで、この進展を加速させる強力なツールセットを提供します。
デジタルツインとHILシミュレーションの統合は、より信頼性が高く、持続可能で、知能化されたパワーエレクトロニクスシステムの開発において重要な前進を意味する。バッテリーおよびエネルギー貯蔵技術が進化を続ける中、パワーエレクトロニクスも並行して進化し、デジタルツイン技術はこの進化を支え加速させる上で不可欠となる。
参考文献
[1] Hge. Bai, J. Kuprat, C. Osório, C. Liu, M. Liserre, and F. Gao, 「現代パワーエレクトロニクス向けデジタルツイン：実現技術と応用に関する調査」, IEEE Electrification Magazine, 第12巻第3号, p. 50–67, 2024年9月.
[2] S. W. Butler and K. N. Parrish, 「デジタルツイン：真の機会 [Industry Pulse]」, IEEE Power Electronics Magazine. vol. 11, no 2, p. 80–107, 2024年6月, doi: 10.1109/MPEL.2024.3395049.
[3] C. Wu, Z. Cui, Q. Xia, J. Yue, and F. Lyu, 「電力電子技術におけるデジタルツイン技術の概要：現状と将来展望」, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 40, no. 9, pp. 13337-13362, 2025年9月.
