次世代バッテリーシステムにとって、なぜHILテストが重要なのか？

はじめに ｜なぜ蓄電制御が重要なのか？

エネルギー貯蔵は、既存の電力網のロックを解除し、再生可能エネルギーが日常的な電力の大部分を発電できるようにする鍵である。これまでは、グリッド運営者がエネルギー貯蔵ソリューションを、日常的な電力供給の大部分を提供するのではなく、一時的な需要急増を平準化するために、既存のインフラにボルトオンする形で利用しているケースが大半だった。今後は、再生可能エネルギーの比率が高いシステム向けの電力網管理サービスにおいて、先進的なバッテリーが大きな役割を果たすと予想される。

エネルギー貯蔵システム（ESS）は、電力とエネルギーという2種類の基本的なサービスを提供することを目的としている。ほとんどのバッテリー・システムは、どちらか一方のサービスを提供するように最適化されているが、HYBRISプロジェクトで開発されているHESSのような新しいハイブリッド・バッテリー・システムは、電力とエネルギーの両方のニーズを満たすように設計されている。これを達成するためには、バッテリー・システムを制御する新しい方法が必要であり、安全に実行できることを確認するためのテストが必要である。バッテリーエネルギー貯蔵コンバーターコントローラーをリアルタイムシミュレーションと組み合わせることで、初期の開発段階において、グリッドコードなどの認証や規格に準拠するために、設計やサービス内容を最適化することができます。

例えばマイクログリッドでは、バッテリーはアイランドを管理し、グリッドシステムを同期させ、グリッドのニーズを満たすために必要な貯蔵エネルギーを提供するために重要である。そのため、アイランド化と再接続をシームレスに行う能力が要求される。このため、系統連系モードとアイランド・モードにおけるパワーエレクトロニクスをベースとしたリソースのインバータの故障応答を理解する必要があり、ハードウェア・イン・ザ・ループ・テストの出番となります。

HILのコンセプト｜HILテストとは？

HILテスト（Hardware-in-the-Loop Testing）とは、実際のハードウェアを、物理システムの仮想モデルによって生成された信号にリアルタイムで接続することである。HILテスト中、被試験ハードウェア・デバイス（DUT）は、実際の設備と同じ速度、同じ電力レベルで同じ種類の信号を受信するため、実際のシステムで動作していると「思い込む」。試験中に仮想システムモデルを操作することで、通常の動作条件だけでなく、系統障害や逆潮流などの稀な事象が発生した場合でも、DUTが期待通りに動作することを検証できます。

一般的に、HILテストは2つのタイプに分けられる：パワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（P-HIL）とコントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）であり、図1の右と中央に対応する。パワー・ハードウェア・イン・ザ・ループでは、バッテリなどの実デバイスをパワー・アンプに接続し、実際の条件下で直面するのと同じパワー・レベルを受けるようにテストします。これは、新しいシステムの最終的な検証には理想的ですが、実際の電力を使用するため、かなりの費用がかかり、安全上のリスクもあります。

コントローラのハードウェア-イン-ザ-ループは、図 2 に示すように、DUT の完全なパワーステージを仮想モデルに置き換えます。実際のパワーフローは、パワー段モデルのデジタル信号に置き換えられ、コントローラがこれを解釈して制御信号を送信します。このようにして、制御ソフトウエアの動作をマイクロ秒あるいはナノ秒レベルの分解能でリアルタイムにテストすることができる。この技術は、複雑な制御、保護、監視システムの開発、検証、トラブルシューティングのためのゴールドスタンダードです。なぜなら、大電力の流れがもたらす安全上のリスクなしに、実際の条件で実際のコントローラをテストできるからです。

HILのメリット｜なぜHILなのか？

電気システムは常にバランスが保たれていなければなりません。たとえマイクロ秒でも電力需要に十分激しいスパイクが生じると、高価な機器に致命的なダメージを与える可能性があります。ハードウェア・イン・ザ・ループ試験のコンセプトにより、このような技術的・商業的問題をより効率的に解決することができます。簡略化されたモデルは、バッテリーシステムの潜在的な設計を素早く見つける上で重要な役割を果たしますが、HILが提供するリアルタイムテストは、これらのシステムがテストされた条件下で故障する瞬間がないことを保証する上で非常に重要です。HYBRISプロジェクトでは、コンバーター・コントローラーの信号が実際のバッテリー・システムにダメージを与えないことを保証し、開発中のプロトタイプ・バッテリーを損傷するリスクを低減するために、これは特に有用です。

HILは、機器メーカー、製品インテグレーター、ソリューション開発パートナー、最終顧客間のコミュニケーションツールとしても有用です。HILテストで使用されるリアルタイムシミュレーション環境は、テストベンチのどの部分も損傷することなく、電子機器の安全設定に関する制約を分析し、実証するのに役立ちます。そのため、HILテクノロジーは、幅広い故障の忠実度の高いシミュレーションを提供し、制御ソフトウェアがそれに従って動作することを検証することができます。これは、適切なコンポーネントを選択し、サイズを決め、統合し、その制御ソフトウェアをテストして検証できることを意味します。HYBRISでは、バッテリーシステムとグリッド両方の高忠実度仮想モデルを利用したバッテリー制御システムのHILテストにより、実際のパイロットサイトの条件に最適なHESSバッテリーシステムのパラメータ化とサイズ設定が可能になります。

最後に、HILテストは、シミュレーション環境内のリアルタイムモデルが、実システムと本質的に見分けがつかないほど高忠実度であれば、「デジタルツイン」のコンセプトを満たすことができる。このレベルの忠実度でリアルタイムモデルを作成するには、現場で使用されるデバイスの構成から、デバイス間で相互作用する通信プロトコルや通信遅延まで、すべてをキャプチャする必要があります。HYBRISプロジェクトは、実際の現場からの実データを忠実度の高いHiLモデルに送り込み、実質的にバーチャルな実証現場を作成することで、このコンセプトを構築しようとしている。

クレジット

Text｜Sergio Costa, Eleni Apostoloidou
Visuals｜Dragan Zuber, Karl Mickei
Editor｜Debora Santo
Acknowledgments｜ 本ブログは、Horizon 2020 HYBRISプロジェクトの一環として作成・掲載されたものです。元の記事はこちらからご覧いただけます。Typhoon HILの資金提供による研究活動の詳細については、資金提供研究のページをご覧ください。

このプロジェクトは、欧州連合（EU）の研究・イノベーションプログラム「Horizon 2020」（無償資金協力番号963652）の助成を受けている。