太陽光発電インバータ設計のためのハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）

はじめに

長年にわたり、シミュレーションはFimerのインバータ用制御ボード設計作業における基本要素でした。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一つは、間違いなくハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）システムの導入でした。

HILシステムは、電気工学、電子工学、自動化分野で広く用いられるシミュレーションおよび試験技術である。この手法では、センサー、アクチュエータ、コントローラなどの実機器を、システムの仮想数学モデルと統合する。これにより、制御された再現性のある環境内でシステム全体の挙動をシミュレートすることが可能となる。

HILシステムの利用によりリアルタイムシミュレーションが可能となり、制御対象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することで制御ボードの動作をテストできます。これにより、開発コードが要求仕様と一致しない場合にハードウェア損傷を引き起こす可能性のある異常状態やエラー状態のテストが可能となります。

C-HIL（またはコントローラ-HIL）シミュレーションには、センサとアクチュエータ（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被試験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ー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装します。制御信号の変化はプラントシミュレーション内の変数値の変化を引き起こし、フィードバックの変化につながります。

HIL設定

長年にわたり、当社は計算能力、使いやすさ、I/O数、柔軟性のバランスにTyphoon を選択してきました。Typhoon 、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・アーキテクチャを基盤としており、正確かつ完全なシステムシミュレーションを実現します。

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に深く根ざした不可欠な要素となっています。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、制御基板の挙動解析と最大機能数の検証を可能とする環境構築のため、コントローラ-HILインターフェースボードを設計します。

制御ボードの動作を分析し、機能の最大数を検証するには、コントローラとHILシステム間にインターフェースボードを設計することが最適である。このプロセスは、コントローラ自体の定義と並行して、プロジェクトの初期段階から行われる。 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提供やPWM信号受信を超える、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されなければならない。さらに、リレー指令、計器、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といった追加要素にも対応する必要がある。

システム構築における重要な側面は、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、これらは制御ボードへのフィードバックを構成する。フィードバックの品質は、システムの正確かつ信頼性の高いシミュレーションを確保するために不可欠である。最良のフィードバック品質を達成するには、主に以下の2つの要素を考慮できる：

1. HILから出力される信号のスケーリング：HILが生成するアナログ信号を、システムおよびインバータの要件に適合させるため、正しく校正することが重要です。このスケーリングには、実システムの仕様に合わせるため、電圧レベル、電流、その他の量の調整が含まれる場合があります。
2. HILLogicインターフェースボードにおける信号のスケール調整：同様に重要なのは、制御ボードへの入力信号を適応させ、コントローラの正常な動作を確保することです（例：PWM制御のための電圧レベル）。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ために信号を変換することが含まれる場合があります。

以下の図は、エネルギー貯蔵システム（ESS）の典型的な構成を示しています。このシステムはHIL604を使用し、最大3つの独立したバッテリーパックに接続された三相インバータのシミュレーションが可能です。

次の図は別のインバータ構成を示しており、今回はHIL602リアルタイムシミュレータを用いて実装されています。

HILのメリット

このアプローチの利点は明らかである：

1. 制御されたテスト環境：HILシステムを用いることで、制御ボード向けの制御可能かつ再現性のあるテスト環境を構築できます。このシミュレート環境により、異常状態やエラー状況を含む様々な条件やシナリオ下でのテストを実施し、実環境におけるコードの挙動を検証することが可能となります。
2. 安全性とコスト削減：HILシステムを使用することで、組込みコードを実システムに接続する必要がなくなり、開発中のハードウェア損傷リスクを低減します。さらに、テスト中の物理リソースの消費や実アクチュエータ・センサーの潜在的な摩耗を回避し、大幅なコスト削減に貢献します。
3. 開発速度：仮想環境でのテスト実施が可能となることで、開発サイクルの高速化が実現します。テストをより効率的かつ効果的に実施できるため、プロジェクト完了までの所要時間を短縮できます。
4. 複雑な機能性の検証：HILシステムは、制御ボードの様々なコンポーネント間の複雑な機能性と相互作用をテストすることを可能にします。これにより、組み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りする際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におけるコーディングエラーや問題点の特定を支援します。これによりタイムリーな修正と改善が可能となり、後工程での高コストかつ解決困難なバグ発生リスクを低減します。
6. 極端なケースや危機的状況のテスト：HILシステムは、現実世界で再現が困難または危険な極端なシナリオや危機的状況のテストを可能にします。これにより、厳しい条件下でも組み込みコードが堅牢で応答性を保つ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、テストを一貫して信頼性高く繰り返し実行できます。これは結果の再現性を確保し、コード変更を継続的に検証するために極めて重要です。

テストケース

ポイント2と6は、特に高電圧・低電圧耐過渡電圧試験（HLVRT）および孤立防止試験（AI）において、当社システムの開発および検証段階で遭遇する実際の状況によってよく説明できる。

中規模/大規模インバータ（数十～数百kW）におけるHLVRT試験には、高価で大型の設備が必要であり、インフラや人的資源への多大な投資が求められる。これらの試験は規制要件への適合性を実証するため、実機上で実施しなければならない。しかし開発段階でこうした設備を利用することは複雑であり、複数人の協力と相当な時間を要する。

この設計段階でHILシステムを活用することで、プロセスが即座に簡素化される。ツールが提供するAPIを使用し、数行のスクリプトで強化されたシンプルなモデル（図7）のみが必要となるため、あらゆる故障状態の実行を容易に自動化でき、その規模と持続時間を定義できる。

別の例として、アンチアイランディング試験が挙げられる。この場合、試験環境の構築には多額の投資が必要となる場合もある（図8）。

一方、予備検証は、HILモデルを変更し共振負荷を挿入するだけで「ベンチ上」で実施可能である（図9）。

結論

結論として、HILシステムの利用は太陽光発電用インバータの制御基板の開発・検証プロセスを大幅に簡素化し、改善することが実証されている。これにより、より迅速で安全かつ信頼性の高い設計が可能となり、最終製品の成功に向けた確固たる基盤を提供する。

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 | 本ブログ記事は、Fimer S.p.A. 最高技術責任者であるジョバンニ・マンキア氏によるLinkedIn記事として最初に公開されました（こちらから閲覧可能）。著者の許可を得て、Typhoon ブログにて再掲載されています。