はじめに
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は、近年劇的に高まっている。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、幅広い最新技術を支えるパワーエレクトロニクスは、この移行を実現する重要な分野のひとつです。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、その展開を加速させることを目的とした金融投資や公共政策のインセンティブも増加している。
信頼性、性能、適応性に対する期待の高まりに応えるため、パワーエレクトロニクスシステムの開発、テスト、検証の方法を改善する新しい方法論やツールが検討されています。その中で、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、モデルベースエンジニアリングを統合し、実際の物理システムを動的かつ正確に表現する強力なコンセプトとして登場しました。
デジタルツインのコンセプトに基づき、Typhoon HILリアルタイムシミュレータで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や実験に大きなメリットをもたらしています。 Typhoon HILのHIL（Hardware-in-the-Loop）機能を活用することで、これらのプラットフォームは忠実度、柔軟性、スピードを向上させ、高度なアルゴリズムを備え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、リアルタイムでのパラメータ変動テストを可能にします。
課題
デジタルツインとは、実際の物理システムを仮想的に表現したものです。デジタル・ツイン技術は、エンジニアリング・プロジェクトの開発をサポートするために、産業界や大学で採用されるようになってきている。この表現が効果的であるためには、物理コンポーネントと仮想コンポーネント間の同期と双方向通信が不可欠です。
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ある。例えば、電力網に接続された電子コンバーターを考えてみよう。その基本的な動作はコントローラによって制御される。時間の経過とともに、電力網やコンバータの物理的なコンポーネントに変化が生じると、制御アルゴリズムの更新が必要になるかもしれません。デジタル・ツインがあれば、そのような変化を迅速に検出し、仮想モデルを更新することができます。更新されたモデルは、物理システムに実装される前に、新しい制御戦略のテストに使用することができます。
Typhoon HILリアルタイム・シミュレータを使用することで、このプロセスが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忠実度の高い仮想モデルとリアルタイムで相互作用します。このセットアップにより、制御アルゴリズムが実際のシナリオと同じよう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れば、デジタル・ツイン技術の利点をフルに発揮することができます。例えば、送電網の外乱をシミュレートし、コンバータの応答を観察することができます。その後、制御アルゴリズムを仮想環境で適合させ、徹底的にテストし、最終的に物理システムに導入することができます。
双方向通信（図1参照）とは、物理システムから仮想モデルへリアルタイム計測値を送信し、物理コンバータへ制御信号を送り返すことを意味し、このアーキテクチャにおいて重要な役割を果たします。Typhoon HILプラットフォームは、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レイテンシとナノ秒レベルのシミュレーション・ステップで、この通信をサポートするのに特に効果的であることが実証されています。
さらに、仮想環境内で確率的・統計的モデルを使用することで、新しい制御戦略をテストする際にコンポーネントの故障を予測することができます。この予測能力は、システムの信頼性を高め、より多くの情報に基づいたプロアクティブな意思決定に貢献します。
ソリューション
リアルタイム・シミュレーションのリアリズムをさらに高めるため、パワー・ステージは仮想モデルのまま、制御アルゴリズムを実行する外部マイクロコントローラーを統合しました。このHILセットアップは、実世界の動作を忠実に反映し、忠実度の高いテスト条件を提供します。Typhoon HILでは、以下のように複数の領域にわたってシステムをモデル化しました：
- 詳細な回路とスイッチング動作を含む電気的なもの。
- サーマルは、半導体の放熱と熱応力をシミュレートします。
我々のモデルは、ナノ秒（半導体のスイッチング）から秒（エネルギーと電力の変動）まで、複数の時間スケールをカバーしています。Typhoon HILシステムの計算性能は、このような要求の高いマルチスケール、マルチドメインモデルをリアルタイムで実行するために不可欠です。
当社のデジタル・ツイン・プラットフォーム（図2のセットアップ例を参照）は多機能に設計されており、幅広いプロジェクトや研究活動をサポートします。アプリケーションには、DC-ACコンバータ、オングリッドおよびオフグリッドシステム、アクティブフィルタ、制御整流器などがあります。
デジタルツインの主な特徴は、物理的な相手の動作に応じてモデルを動的に適応させることができる点です。私たちの研究では、Typhoon HIL404上でリアルタイムに動作するパワー段モデルは、可変受動部品を調整することによって定期的に（アプリケーションに応じて数分から数時間ごとに）更新されます。これらのパラメータは、インダクタ電流やコンデンサ電圧などの選択されたコンバータ変数の、物理コンバータとHILモデル間の2次誤差を最小化する最適化アルゴリズムによって調整されます。これにより、デジタル・ツインは物理システムを連続的に反映し、固定パラメータを持つモデルと比較して高い精度を達成します。
また、粒子群最適化など、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他の適応アルゴリズムも開発しています。これらのイノベーションは、Typhoon HILプラットフォームの高度なHIL機能と計算能力によって実現可能です。
技術革新だけでなく、これらのプラットフォームは重要な教育的価値を提供しています。学部、修士、博士課程レベルでの実習に積極的に利用され、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に直接触れることができます。Typhoon HILのユーザーフレンドリーなインターフェースと包括的なシミュレーション環境は、アカデミックなトレーニングや産業界とのコラボレーションに理想的なツールです。
HILのメリット
世界は、電気自動車が輸送を支配し、再生可能エネルギーが電力に占める割合が増加し、スマートグリッドがエネルギー配給を最適化する未来に向かっています。パワーエレクトロニクスは、この変革において重要な役割を果たします。Typhoon HIL統合ツールチェーンとリアルタイム・シミュレータでサポートされるDigital Twinプラットフォームは、システム設計、検証、保守において、より深い洞察、より高い柔軟性、より高い精度を提供することで、この進歩を加速す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、持続可能でインテリジェントなパワーエレクトロニクスシステムの開発において、大きな前進を意味します。バッテリーとエネルギー貯蔵技術が進歩し続ける中、パワーエレクトロニクスも並行して進化していくでしょう。デジタルツインの技術は、この進化をサポートし、加速するために不可欠なものとなるでしょう。
参考文献
[1] Hge.Bai, J. Kuprat, C. Osório, C. Liu, M. Liserre, and F. Gao, "Digital Twins for Modern Power Electronics：An investigation into the enabling technologies and applications", IEEE Electrification Magazine, vol. 12, no 3, p. 50-67, set.2024.
[2] S. W. Butler and K. N. Parrish, "Digital Twins：The Real Opportunities [Industry Pulse]", IEEE Power Electronics Magazine, vol. 11, no 2, p. 80-107, jun. 2024, doi: 10.1109/MPEL.2024.3395049.
[3] C. Wu, Z. Cui, Q. Xia, J. Yue, and F. Lyu, "An Overview of Digital Twin Technology for Power Electronics：State-of-the-Art and Future Trends," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 40, no. 9, pp.
