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 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研究と実験において大きな利点を実証しています。 Typhoon 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忠実度、柔軟性、速度を向上させ、先進アルゴリズムを搭載した実制御装置の安全な評価、故障状態のシミュレーション、リアルタイムパラメータ変動試験を可能にします。これらはすべて、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なしに実現されます。
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 リアルタイムシミュレータを使用することで、このプロセスはさらに効率的かつ正確になります。HIL環境により、物理コントローラは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相互作用できます。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、試験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。
双方向通信（図1参照）は、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ことを意味し、このアーキテクチャにおいて極めて重要な役割を果たす。Typhoon 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遅延とナノ秒レベルのシミュレーションステップにより、この通信をサポートする上で特に有効であることが実証されている。
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現実感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統合し、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、高忠実度のテスト環境を提供します。Typhoon を用いた当社の取り組みでは、以下のように複数ドメインにまたがるシステムをモデル化しています：
- 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（半導体スイッチング）から秒（エネルギーおよび電力変動）に至るまで、複数の時間スケールをカバーしています。Typhoon 計算性能は、このような要求の厳しいマルチスケール・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、物理的な対応物の挙動に応じてモデルを動的に適応させる能力です。本研究では、Typhoon 上でリアルタイムに動作するパワーステージモデルを、可変受動部品を調整することで定期的に更新します（更新間隔は用途に応じて数分から数時間）。 これらのパラメータは最適化アルゴリズムにより調整され、物理コンバータと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定されたコンバータ変数の二乗誤差を最小化します。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、固定パラメータモデルと比較して高い精度を実現します。
また、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可能な他の適応アルゴリズム（粒子群最適化など）も開発中です。これらの革新は、Typhoon 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。
技術革新を超えて、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ます。学部生、修士課程、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、学生に最先端のパワーエレクトロニクスとデジタルツイン技術を直接体験させる機会を提供します。Typhoon 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、学術的なトレーニングと産業界との連携に理想的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を支配し、再生可能エネルギー源が電力供給の割合を増やし、スマートグリッドがエネルギー分配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ます。Typhoon ツールチェーンとリアルタイムシミュレータによって支えられるデジタルツイン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、強化された精度を提供することで、この進歩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.
