はじめに
今日、電気エンジニアを目指す人たちは、最先端の電力用「フライトシミュレータ」を使って、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ます。ナノ秒の分解能とマイクロ秒の積分時間ステップを持つこれらの超高忠実度リアルタイム・シミュレータは、スマート・インバータ、分散型エネルギー資源（DER）、マイクログリッド、電力系統を比類のない精度でエミュレートします。
これにより、ゲーム体験が浸透している新世代のエンジニアが、インタラクティブで完全に没入できる環境に対するニーズを満たすことができます。これにより、パワーエレクトロニクスとマイクログリッドの複雑な内部と外部を楽に学ぶことができます。
18～34歳の57％が週に3回以上ビデオゲームをプレイし、67％がゲームは勝つための戦略の立て方を学ぶのに重要だと考えていることを考えれば、パワーエレクトロニクスと電力システムを教えるための「フライトシミュレーター」アプローチが、新入生を殺到させている理由は明らかだ。
実際、遊びながら学ぶという「フライト・シミュレーター」的なアプローチは、従来「旧式」で「保守的」とされてきたパワーエレクトロニクスに対する認識を根本的に変えつつある。
C-HILは電力のための真の "フライトシミュレーター"
超高忠実度のリアルタイム・シミュレーションを利用したC-HIL（Controller Hardware in the Loop）により、学生たちは、オフィスや暖かい教室で、怪我をする心配もなく、高出力、高コストで、そうでなければ手の届かないエンジニアリングの驚異と対話し、遊ぶことができます。言い換えれば、生徒たちはC-HILを使って、理解するまでモデルを「壊したり」「ショートさせたり」することができる。そして、最も重要なことは、生徒たちが楽しみながらやっているということだ。
しかし、パワーエレクトロニクスを学ぶことは、いつもこんなに楽しいものではなかった。ほんの10年余り前、私が学生だったころはまったく違っていた。何年もの間、私は埃まみれの教科書で補強された理論的な授業を次から次へと受けなければならなかった。発電機に最も近づけたのは、水力発電所への見学旅行だった。
その後、さらに授業を受け、方程式を導き出し、修士課程も終わりに近づいた頃、100kWのインバーターを作る最初のチャンスを得た。私は、かなり幸運で恵まれたことに、かなり早い時期にそのチャンスを得たと信じているが、それでも、作るための「免許」を取得するのに何年もかかった。
パワーエレクトロニクス用の "フライト・シミュレーター "があればいいのだが...。
まずはプレー、そして理論を学ぶ
幸いなことに、今日ではモデルベース設計や、より具体的にはリアルタイム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、システムやコンポーネントレベルの動作について直感的な理解を急速に深めることができる。さらに、「破壊的」実験も同様に簡単かつ穏便に行うことができる。
生徒たちは、最初の直感を身につけたら、基礎となる概念に飛び込み、実地体験の定義からインスピレーションを得た重要な理論的概念を学び始めることができる。
業界グレードのコントローラーを作る4つのステップ
C-HIL「フライト・シミュレーター」で武装し、ゲームマインドを奮い立たせたパワーエレクトロニクス初心者の学生が、高性能な産業グレードのパワーエレクトロニクスコンバータの構築に一貫して成功している実例として、スバシシュ・バッタチャリヤ教授が指導するノースカロライナ州立大学電気工学科のキャップストーン・プロジェクトがある。
実際、ラピッド・コントロール・プロトタイピング（RCP）プラットフォームと直接インターフェースされたC-HILシステムにより、学生はハイパワー実験室で1日過ごすことなく、最小限の監督で新しいデジタル・コントローラを構築し、プロトタイプを作成し、テストすることができます。彼らは4つのステップでコンバータを作ります：
- C-HILでコンバータとコントローラをシミュレートし、異なる動作条件でコントローラのパラメータを手動で調整する。
- 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、受入基準に合格するまでC-HILでコントローラをテストする。
- コントローラを実際のパワーステージに接続する。
ステップ1 ｜C-HILでのコンバータとコントローラのシミュレーション
最初のステップは、コンバータを設計し、オフライン・シミュレータを使ってパワー・ステージとコントローラをシミュレーションすることです。しかし、高性能なリアルタイム・シミュレータの出現により、このステップはしばしば省略できるようになり、C-HILリアルタイム・シミュレータでコンバータ全体（コントローラ付き）をシミュレーションすることから始めることができます。ライブラリから利用可能なモデルを再利用することで、モデルの開発時間を大幅に短縮することができます。
ステップ2 ｜コントローラをラピッドコントロールプロトタイピング（RCP）プラットフォームに移植します。
C-HILシミュレーションですべてが実行されると、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）プラットフォームに移植することができます。ここから真のテストとチューニングが始まります。
ステップ3 ｜C-HILでコントローラをテストする
テストとテストの自動化は、あらゆる動作条件におけるコントローラの性能を検証し、妥当性を確認するために非常に重要です。通常、過電圧、過電流、周波数の過不足など、単純な保護機能のテストから始めることができます。
これらのテストがプログラムされた後、多くの場合Pythonスクリプト言語を使用して、低電圧ライドスルー、弱グリッド、アンチアイランディング検出、PLL同期ロバスト性など、より動的なテストをプログラムすることができる。さらに、グリッド・タイ・インバータを構築する場合は、テスト・ケースのバッテリーを完成させるために、グリッド認証テストも実行することができる。
ステップ4 ｜コントローラーを実際のパワーステージに接続する
コントローラがすべてのテストに合格し、コントローラの動的応答が満足のいくものであった場合、コントローラは、最終的かつ最もエキサイティングな設計ステップである、実際のパワーステージを使用した処女航海の準備が整います。前のステップで広範なテストが行われたため、このステップでは、コントローラーの機能をテストする必要なく、パワーステージとインターフェースのテストと検証を行うだけでよい。
クレジット
著者 ｜イヴァン・セラノヴィッチ
ビジュアル ｜Typhoon HIL
編集 ｜デボラ・サント
