はじめに
今日の電気工学を志す学生たちは、電力分野における最先端の「フライトシミュレーター」を用いて、パワーエレクトロニクスや電力システムを実践的に学ぶ機会に恵まれている。ナノ秒単位の分解能とマイクロ秒単位の時間ステップを備えたこれらの超高精細リアルタイムシミュレーターは、スマートインバーター、分散型エネルギー資源（DER）、マイクログリッド、そして電力システムを比類のない精度で再現する。
これにより、ゲーム体験が浸透した環境で育った新世代のエンジニアは、インタラクティブで完全に没入できる環境への欲求を満たすことができる。これにより、彼らはパワーエレクトロニクスやマイクログリッドの複雑な仕組みを容易に習得できるようになる。
18～34歳の57％が週に少なくとも3回はビデオゲームをプレイし、67％がゲームが勝利戦略の構築方法を学ぶ上で重要だと考えていることを考慮すれば、パワーエレクトロニクスと電力システムの教育に「フライトシミュレーター」アプローチを採用することが、なぜこれほど多くの新規学生を惹きつけているのかは明らかである。
確かに、遊びを通じた学習という「フライトシミュレーター」的アプローチは、従来「旧式」かつ「保守的」と見なされてきたパワーエレクトロニクスの認識を根本的に変えつつある。
C-HILはパワーシステムのための真の「フライトシミュレーター」である
超高精細リアルタイムシミュレーションを搭載したコントローラハードウェアインザループ（C-HIL）により、学生はオフィスや暖かい教室という快適な環境で、高出力・高コストで通常は触れることのできない工学の驚異と安全にインタラクションし、操作することができます。つまり、学生はC-HILを用いてモデルを「壊す」ことや「ショートさせる」ことを繰り返し、理解が深まるまで試行錯誤できるのです。 そして何より重要なのは、学生たちが楽しみながら学べることです。
しかしパワーエレクトロニクスを学ぶことが、いつもこれほど楽しいものではなかった。わずか十数年前、私が学生だった頃は全く違っていた。何年もかけて、埃まみれの教科書を片手に理論の授業を次々と受けねばならなかった。発電機に最も近づけたのは、水力発電所への見学旅行の時だけだった。
その後、さらに多くの授業を受け、いくつかの式を導き出し、修士課程の終盤に差し掛かった頃、初めて100kWインバーターを製作する機会を得た。早い段階でその機会を得られたことは非常に幸運で恵まれていたと思うが、それでも製作の「免許」を得るまでに何年もかかった。
パワーエレクトロニクスのための「フライトシミュレーター」があればいいのに。
まず遊び、それから理論を学ぶ
幸いなことに、今日のモデルベース設計、特にリアルタイムC-HILシミュレータにより、若い学生たちは数多くの実験を行うことで、システムおよびコンポーネントレベルの動作について直感的な理解を素早く身につけられる。さらに、「破壊的」な実験も同様に容易かつ安全に実施できる。
生徒が最初の直観を身につけたら、基礎となる概念に深く入り込み、実践的な体験を定義することで触発された重要な理論的概念の学習を始められる。
産業用グレードのコントローラーを構築する4つのステップ
C-HIL「フライトシミュレーター」を駆使し、ゲーム感覚で臨むパワーエレクトロニクス初心者の学生たちが、一貫して高性能な産業用パワーエレクトロニクスコンバータの構築に成功している実例として、ノースカロライナ州立大学電気工学科における卒業研究プロジェクトが挙げられる。このプロジェクトはサブハシシュ・バタチャリヤ教授の指導のもとで実施されている。
実際、高速制御プロトタイピング（RCP）プラットフォームと直接接続されたC-HILシステムにより、学生は高電力実験室で一日を費やすことなく、最小限の監督のもとで新しいデジタル制御器を構築、プロトタイプ化、テストすることが可能となる。彼らは4つのステップでコンバータを構築する：
- C-HIL環境でコンバータとコントローラをシミュレートし、異なる運転条件下でコントローラパラメータを手動で調整する。
- ポートコントローラをRCPプラットフォームに移植し、C-HILでテストする。
- テストスクリプトを使用してC-HILでコントローラをテストし、受け入れ基準が満たされるまで継続する。
- コントローラーを実際のパワーステージに接続する。
ステップ1 | C-HILでコンバータとコントローラをシミュレートする
最初のステップはコンバータを設計し、オフラインシミュレータを用いてパワーステージとコントローラをシミュレートすることである。しかし、高性能リアルタイムシミュレータの登場により、このステップはしばしば省略可能となり、C-HILリアルタイムシミュレータでコンバータ全体（コントローラを含む）のシミュレーションから開始できる。ライブラリモデルから利用可能なモデルを再利用することで、モデル開発時間を大幅に短縮できる。
ステップ2 | コントローラをラピッド制御プロトタイピング（RCP）プラットフォームに移植する
C-HILシミュレーションですべてが動作したら、コントローラを産業用コントローラまたはラピッド・コントローラ・プロトタイピング（RCP）プラットフォームへ移植できます。ここで真のテストと調整が始まります。
ステップ3 | C-HILによるコントローラのテスト
テストとテスト自動化は、あらゆる動作条件下における制御器の性能を検証・確認するために不可欠である。通常は、過電圧・欠電圧、過電流、過周波数・欠周波数などの単純な保護機能のテストから開始できる。
これらのテストをプログラミングした後（ほとんどの場合Pythonスクリプト言語を使用）、低電圧ライドスルー、弱電力系統、孤立運転防止検出、PLL同期の堅牢性など、より動的なテストをプログラミングできます。さらに、系統連系インバータを構築する場合、系統認証試験も実施して一連のテストケースを完了させることが可能です。
ステップ4 | コントローラを実際のパワーステージに接続する
コントローラが全てのテストを通過し、動的応答が良好であることを確認した後、最終かつ最も重要な設計段階である実動力段を用いた初動試験に移行する。前段階での徹底的なテストにより、本段階ではコントローラの機能検証は不要であり、動力段とインターフェースの動作確認のみを実施すればよい。
クレジット
著者 | Ivan Celanovic
ビジュアル | Typhoon
編集者 | Debora Santo
