はじめに
コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレーションプラットフォームを使用することで、EPC Powerはわずか2日間で制御ソフトウェアを新規ハードウェアに統合することができた。
カリフォルニア州サンディエゴに拠点を置くEPC Powerは、太陽光、風力、エネルギー貯蔵、自動車、マイクログリッド用途向けのグリッド形成型双方向インバーターおよびDC-DCコンバーターの設計・製造を手がけています。
ライアン・スミス最高技術責任者（CTO）兼主任制御アーキテクトが、コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）を初期の構想段階から最終製品認証、ライフサイクル保守に至るまで活用した経験について語る。
MW規模のインバーターを開発・試験する際に、インバーターメーカーはどのような主要な課題に直面しているか？
高出力インバーターを扱う上での最大の課題の一つは、許容誤差が極めて小さいことです。こうした高出力インバーターの故障は、材料費の面でも、顧客や隣接設備への危険性の面でも、非常に高い代償を伴います。そのため、出荷前に当社の実験室でインバーターを極限までテストすることが重要です。安全認証で要求される基準をはるかに超えたテストを実施しています。
ハードウェア・イン・ザ・ループを使用する前は、インバータ制御装置をどのように設計・テストしていましたか？
ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータの使用を開始する前は、当社の電力試験ラボにある設備を用いてインバータのテストを行っていました。これは高出力バッテリーと高出力グリッド接続を備えた大規模な電力システムです。 場合によっては、グリッドシミュレータを用いたバック・トゥ・バック構成でインバータを試験することもありました。これは高価な装置で再構成が困難であり、特定の試験を実行するためのセットアップに1～2日を要することもありました。
インバータ制御装置のテストには、より良い方法があるでしょうか？
ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを採用したことで、インバータをテストするより優れた方法は、シミュレートされたハードウェアに対してコントローラをテストすることです。その利点は効率性だけでなく、実験室で行うよりもハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータでテストをはるかに迅速に実行できる点にあります。
実験室環境でシミュレートできる範囲よりも、さらに多様なシナリオでテストを実施できます。つまり、より広範なテストであると同時に、より効率的なテストでもあるのです。
インバータ制御装置の開発において、HIL環境はフルパワー実験室と比べてどうでしょうか？
当社のパワーラボにおける試験時間は非常に高価です。フルパワー試験が可能な設備は1台のみであり、それをフル稼働させるには数名の要員が必要です。これは開発環境として適しておらず、むしろ検証環境としての性格が強いと言えます。
Typhoon 、新しいことを試せるため、はるかに優れた制御開発環境を提供します。実験室ではシミュレーションが困難な運用シナリオも試すことができ、しかもそれを非常に迅速に行えます。
ハードウェア・イン・ザ・ループでは、パワーラボではテストが困難などのような試験をより容易に行うことができますか？
お客様には最大グリッドインピーダンス8%を指定し、理想的なグリッドインピーダンスまで動作することを想定しています。固定グリッドインピーダンスのラボ環境ではシミュレーションが困難です。しかしハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを用いれば、幅広いグリッドインピーダンス範囲での試験が可能です。特に脆弱なグリッドを持つ特定のお客様向けには、その範囲外での試験も実施しています。
このプラットフォームを利用する最大の利点は何ですか？
私たちが実感した最大の利点は、設計チームの作業が加速したことだ。導入前は、ソフトウェアが常に製品開発サイクルのボトルネックとなっていた。その理由は、通常、ソフトウェアと制御システム担当チームが設計サイクルの最終段階でハードウェアを引き継ぎ、それを機能させるよう求められるためである。
ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを使用することで、制御設計チームはハードウェア設計チームと並行して作業でき、最終的にハードウェアと制御が完全に連携するようになります。
新しいハードウェアを稼働させるための統合手順は非常にシンプルです。過去2回の設計サイクルでこれを採用した結果、統合フェーズの速度が大幅に向上しました。
HILがEPCの開発期間を短縮した具体例を挙げてください。
一例として、当社の500kWインバーターが制御チームに初めて提供された時のことが挙げられる。制御チームは、ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを使用して約2か月間作業を続けていた。
その制御ソフトウェアをハードウェアにロードすると、2日もかからずにフルパワーで動作した。ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレーションを導入する前は、通常6週間ほどを要していた。
したがって、当社のような小規模企業にとって、開発スケジュールからそれほど多くの時間を短縮できることは、大きな節約となります。
では、テスト用にHILをどのように設定したのですか？
当社はTyphoon ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを使用しています。これはブレークアウトボードを介して当社のコントローラと接続されています。 これは当社製品で使用している制御ボードと同じもので、テキサス・インスツルメンツ製DSPを基盤としています。この制御ボードは実インバータ内で全く同一のソフトウェアを実行します。ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレーション環境下にあることを認識させるような条件は一切課されていません。したがって、このテストプラットフォームからはパラメータスケーリングや測定範囲の正確な再現性を得られます。
開発の初期段階でHILを使用する最大の利点は何ですか？
制御ソフトウェアでミスを犯した場合、ハードウェアのリスクははるかに低い。ガラス越しに大爆発が起こることはない。おそらくこれが最大の利点だろう。しかしハードウェア・イン・ザ・ループでは、検証対象のテスト条件を設定するのも格段に容易だ。
ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレーションに接続している場合、高電圧ノイズの干渉がないため、制御ボードから制御情報を取得するのがはるかに容易です。そのため、JTAGインターフェースを使用して制御プロセッサに接続し、デバッガーを利用できます。これらは高電圧・高電力環境下では使用が危険です。
HILを使用して問題をトラブルシューティングできた具体的な事例を挙げてください。
特定の系統インピーダンスに対して、当社のインバータの出力フィルタで発生した共振問題のトラブルシューティングを行っていた。この共振問題は、単純なシミュレーション（純粋なソフトウェアシミュレーションのみ）では現れなかったが、ハードウェアでは現れた。
ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを利用できた際、実稼働環境で確認したのと同じ共振現象を再現できました。そしてその共振を軽減する対策の検証が可能でした。特定の対策に絞り込み実装したところ、実際の稼働環境における問題も解決できたのです。
HILを用いたアンチアイランディングテストの実行には、どれくらいの時間がかかりますか？
アンチアイランディングを実行するには、ハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレータは文字通り数分しかかかりません。まったく時間がかかりません。我々は利用可能なスクリプティングツールのいくつかを扱ってきました。
ワンクリックでテストスイート全体を設定・実行できます。そのため、数分で全てのテストを完了させることが可能です。
そして、さまざまなアルゴリズムをテストして、それらに欠陥がないかどうかを確認する。
貴社のインバーターの1つについて、最近UL1741SA認証を取得されました。その通りでしょうか？
はい、その通りです。 375kWインバーターの認証を完了したばかりで、現在は500kWインバーターの試験中です。現場には1メガワット時のリチウムイオン電池と500kW負荷試験装置を設置しています。さらに、必要な共振状態をシミュレートするための誘導負荷と容量性負荷も備えています。そのため、かなりの量の設備が必要で、各試験のセットアップには数時間を要します。
UL1741 SA規格におけるEPCのインバーターコントローラーの試験の中で、最も実施が困難だった試験はどれですか？
スマートインバータの認証プロセスにおいて必須の試験の一つが、孤立運転防止試験である。この試験には、電力試験ラボのハードウェアの大半が使用される。認証機関が要求する孤立運転状態を再現するため、孤立運転防止試験には各認証サイクルの総試験時間の少なくとも3分の1を要する。
当施設には、その試験専用の設備一式——負荷装置とシミュレーション負荷装置——が完備されています。認証試験を実施するための負荷装置を実験室に構築する前に、ハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレータを用いて制御アルゴリズムを開発することができました。実際の装置で試験を行った際、アルゴリズムの再実行や修正を必要とせず、実施した全試験に合格しました。
UL1741SA認証の試験サイクルはどのくらいの期間でしたか？
試験サイクル全体は約6週間でした。しかし認証試験を開始する前に、ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレーションプラットフォーム上ですべての試験を実施済みでした。そのため、試験担当者が当社の電力実験室に立会い試験を行うために現地入りした時点では、セットアップ時間と試験時間のみの問題でした。すべての試験は初回実行で合格しました。ただしUL規格の要求事項により、すべての試験は実際のハードウェア上で実施する必要があります。
顧客サイトに到着するまでに、実行する制御システムに対して十分な確信を持っておく必要があります。ハードウェア・イン・ザ・ループ環境で全てのアルゴリズムをテストすることで、これを実現できました。
つまり、テストサイクルを短縮したわけですが、それは単にセットアップ、テスト、そして撤収という流れだったからです。
認証取得後、ファームウェア設計の変更をどれほど容易に行い、検証できますか？
EPCでは四半期ごとの再認証サイクルに入りました。このサイクルでは製品の機能を更新したり問題に対処するため、UL試験サイクルを実施しています。そのため電力試験ラボは、このサイクルを維持するための試験にほぼ完全に占められています。ハードウェア・イン・ザ・ループシミュレータを使用することで、ラボで試験中のバージョンと並行して、次期バージョンのソフトウェアを試験することができました。
つまり、追加リソースを確保することで、設計チームがいつでも複数のパワーテストラボを利用できる状態を実現できるのです。
シミュレーション結果はどの程度正確ですか？
これまでの経験から、その精度は極めて高いと言えます。サイクルごとの電流電圧レベルでさえ、実ハードウェアと同様に正確に再現されています。したがって、非常に正確であると言えるでしょう。
他のシミュレーションプラットフォームと比較して、Typhoon の使用体験をどのように説明しますか？
Typhoon で最も評価している点は、セットアップとハードウェアのモデリングが非常に容易であることです。
評価用にTyphoon を受け取った際、ハードウェアを実装し制御ボードを接続するまでに2日もかからなかった。
Typhoon シミュレータの2つ目の利点は、ハードウェアのシミュレーションで得られた性能です。最も正確な結果を得るには、シミュレーションのステップサイズを可能な限り小さくするか、少なくとも制御アルゴリズムの時間ステップを考慮して無視できる程度に小さくすることが望ましいです。
Typhoon は、さほど苦労せずに約1マイクロ秒の時間ステップで当回路をシミュレートできる。さらに最適化を進めれば、その約半分まで短縮可能だ。
HILでの体験を一言で表すと？
「驚いた」と言うでしょう。それがどれほど私たちに利益をもたらし、作業負荷を軽減し、開発を加速させたかには驚かされました。
クレジット
著者 | サマンサ・ブルース
ビジュアル | EPCパワー
編集者 | デボラ・サント
