PVインバータ設計のためのHIL(Hardware-in-the-Loop)

はじめに

長年にわたり、シミュレーションはFimer社のインバータで使用される制御ボード設計業務の基本的な側面でした。開発、デバッグ、テスト段階を大幅に改善した最初のステップの1つは、間違いなくHIL（Hardware-in-the-Loop）システムの導入でした。

HILシステムは、電気工学、電子工学、オートメーションの分野で広く使用されているシミュレーションおよびテスト技術です。このアプローチでは、センサー、アクチュエーター、コントローラーなどの実際のコンポーネントを、システムの仮想数学モデルと統合します。これにより、制御された再現可能な環境内でシステム全体の動作をシミュレートすることができます。

HILシステムを使用すると、リアルタイムシミュレーションが可能になり、制御プラントの完全なハードウェアシステムを必要とせずに、組み込みコードを実行して制御ボードの動作をテストすることができます。これにより、開発コードが必要な仕様に合致していない場合、ハードウェアの損傷を引き起こす可能性のある異常またはエラー状況をテストすることができます。

C-HIL（またはController-HIL）シミュレーションには、センサーやアクチュエーター（電流プローブ、スイッチ、リレー、IGBTなど）のエミュレーションが含まれます。これらのエミュレーションは、プラントシミュレーションとテスト対象の組込みシステム間のインターフェースとして機能します。電気的にエミュレートされた各センサの値は、プラントシミュレーションによって制御され、被試験システムによって読み取られます（フィードバック）。同様に、被試験システムはアクチュエータ制御信号を送信することで制御アルゴリズムを実行します。制御信号が変化すると、プラント・シミュレーションの変数値が変化し、フィードバックが変化します。

HILセットアップ

Typhoon HILシミュレータは、計算能力、使いやすさ、I/O数、柔軟性を兼ね備えています。Typhoon HILシミュレータは、FPGA、システムCPU、ユーザーCPUを含むヘテロジニアス・マルチプロセッサ・アーキテクチャをベースとしており、正確で完全なシステム・シミュレーションが可能です。

太陽光発電インバータ制御ロジックとHILシステムの統合は、当社のDNAに深く根付いた不可欠なものとなっています。新製品開発の初期段階から、対応するHILインターフェースを定義し、コントローラ-HILインターフェースボードを設計して、制御ボードの動作を分析し、最大限の機能性を検証できるセットアップを実現します。

制御ボードの動作を分析し、最大限の機能を検証するために、最適な選択は、コントローラとHILシステム間のインターフェースボードを設計することです。このプロセスは、プロジェクトの初期段階から、コントローラ自体の定義と並行して行われます。インターフェース・ボードは、インバータへのアナログ・フィードバックの提供やPWM信号の受信にとどまらず、完全なシステム・シミュレーションを可能にするよう慎重に設計する必要があります。また、リレーコマンド、メーター、充電器（エネルギー貯蔵システム（ESS）の場合）、その他の関連コンポーネントなどの追加要素にも対応しなければならない。

システムのセットアップにおいて重要な点は、HILから出力されるアナログ信号のスケーリングと割り当てであり、これが制御ボードのフィードバックを構成する。フィードバック品質は、システムの正確で信頼性の高いシミュレーションを保証するために不可欠です。最高の品質のフィードバックを実現するには、主に2つの要素を考慮する必要があります：

1. HILから出力される信号のスケーリング: HILによって生成されるアナログ信号を、システムとインバータの要件に適合するように正しく校正することが重要です。このスケーリングには、電圧レベル、電流、その他の量を実際のシステムの仕様に合わせて調整することが含まれます。
2. HILLogicインターフェースボード上の信号のスケーリング：同様に重要なのは、制御ボードへの入力信号を適合させ、コントローラが適切に動作するようにすることである（PWM制御の電圧レベルなど）。これには、制御ボードが指定する電圧、電流、その他の要件を満たすように信号を変換する必要があります。

以下の画像は、エネルギー貯蔵システム（ESS）の典型的なセットアップを示しています。このシステムはHIL604を使用しており、最大3つの独立したバッテリーパックに接続された3相インバータをシミュレートすることができます。

次の画像は別のインバータのセットアップで、今回はHIL602リアルタイム・シミュレータで実装されている。

HILのメリット

このアプローチの利点は明らかだ：

1. 制御されたテスト環境：HILシステムでは、制御ボードの制御された再現可能なテスト環境を作成することが可能です。このシミュレートされた環境では、異常やエラー状況を含むさまざまな条件やシナリオでテストを実施し、実環境におけるコードの動作を検証することができます。
2. 安全性とコスト削減：HILシステムを使用すると、組み込みコードを実際のシステムに接続する必要がなくなるため、開発中にハードウェアが損傷するリスクが低減します。さらに、テスト中に物理的なリソースを消費したり、実際のアクチュエーターやセンサーを消耗する可能性を回避できるため、大幅なコスト削減に貢献します。
3. 開発スピード：仮想環境でテストを実施できるため、開発サイクルのスピードが向上する。テストをより効率的かつ効果的に実施できるため、プロジェクトの完了に必要な時間が短縮されます。
4. 複雑な機能の検証HILシステムは、複雑な機能や制御ボードの様々なコンポーネント間の相互作用をテストすることができます。組込みコードが異なる操作に関与したり、システムの他の部分と相互作用したときに正しく動作するかどうかを検証できます。
5. エラーの早期発見：HILシミュレーションは、開発段階でのコーディングエラーや問題の特定に役立ちます。これにより、タイムリーな修正と改善が可能になり、後の開発段階でコストや解決困難なバグが発生するリスクを低減できます。
6. 極端なケースや危機的状況のテストHILシステムは、実世界で再現することが困難または危険な極端なシナリオや危機的状況をテストすることができます。これにより、厳しい条件下でも組込みコードがロバストで応答性に優れていることが保証されます。
7. テストの再現性：HILシステムの仮想的な性質により、テストを一貫して確実に繰り返すことができます。これは、結果の再現性とコード変更の継続的な検証を保証するために非常に重要です。

テストケース

ポイント2と6は、私たちのシステムの開発・検証段階、特にHLVRT（ハイ・ロー・ボルテージ・ライドスルー）やAI（アンチ・アイランディング）試験で実際に遭遇する状況によく表れています。

中型/大型インバータ（数十/数百kW）のHLVRT試験には、高価でかさばる装置が必要であり、インフラや人的資源の面で多大な投資が要求される。これらの試験は、規制要件への適合を実証するために機械上で実施されなければならない。しかし、開発段階でこれらのセットアップを使用するのは複雑で、複数の人の協力とかなりの時間を必要とする。

この設計フェーズでHILシステムを使用すると、ツールが提供するAPIを使用して、数行のスクリプト（図7）で強化された単純なモデルを作成するだけで、その大きさと継続時間を定義して、任意の障害条件の実行を簡単に自動化できるため、プロセスが直ちに簡素化されます。

この場合のテスト環境の構築にも多額の投資が必要となる（図8）。

一方、予備検証は、HILモデルを修正し、共振負荷を挿入するだけで、"ベンチ上 "で行うことができる（図9）。

結論

結論として、HILシステムの使用は、太陽光発電インバーター用制御基板の開発と検証プロセスを大幅に簡素化し、改善することが証明されている。より速く、より安全で、より信頼性の高い設計を可能にし、最終製品の成功のための強固な基盤を提供します。

クレジット

著者 ｜ジョバンニ・マンキア（FIMER S.p.A.最高技術責任者）
ビジュアル ｜FIMER S.p.A.
編集者 ｜デボラ・サント
謝辞｜このブログ記事は、元々Fimer S.Typhoon .A.の最高技術責任者ジョバンニ・マンキアによるLinkedInの記事として掲載されたもので、こちらから入手可能です。