はじめに
将来の配電網は、現在よりもはるかにダイナミックになるだろう。その主な原動力となるのは、太陽光や風力といった断続的な再生可能エネルギー源、蓄電池、高度にダイナミックなパワー・エレクトロニクス・コンバータ、スマート・リレーなどの急激な技術導入による分散型発電である。さらに、サイバー攻撃や自然現象に対する弾力性を考慮すると、より分散化された制御アーキテクチャ、すなわち配電網のセルラー設計が必要となる。このアーキテクチャでは、送電網の一部が独立した島として動作し、独自の電圧と周波数を制御できるだけでなく、大規模送電網の一部として動作することもできる。
分散型送電網の進化がメッシュ型かラジアル型か、交流か直流か、あるいは交流と直流のハイブリッドかどうかにかかわらず、送電網が「よりスマート」になり、ますます多くのデジタル制御・通信コンポーネントやサブシステムで構成されるようになることは明らかだ。実際、送電網は真のサイバー・フィジカル・システムになりつつある。サイバーフィジカル技術によってもたらされる機会に伴い、グリッドの複雑さは増し、より効率的なテストツールの需要が高まるでしょう。
将来の配電網構成のエンジニアリングとテストにかかる爆発的なコストを抑制するのに役立つ優れたテストツールは、マイクロ秒以下から分単位、さらにはそれ以上の定数まで、関心のある時定数の広い範囲をカバーしなければならない。重要な特徴は、このようなテスト・ツールは、実際の制御および通信サブシステムのハードウェアとソフトウェアを、一切変更することなくテストできなければならないということです。
パワーエレクトロニクスコンバータのHIL（Hardware in the Loop
ほとんどすべての分散型エネルギー資源は、強力なデジタル制御と通信機能を備えた高度にダイナミックなスイッチング・コンバータを通じてグリッドに接続されている。さらに、このような機器には、グリッドをサポートする機能がますます高度化されている。例えば、ドイツのBDEW FGW TR3規格や米国のUL 1741 SAは、太陽光発電コンバーターがグリッドで動作する際に満たすべき期待値を詳細に規定している。このような機能はコストがかかり、テストに非常に時間がかかるため、市場投入までの時間が長くなってしまう。これらが、スマート・コンバータのテストにHILツールが広く採用されている主な理由です。
コンピュータ・シミュレーションと比較した場合のHIL技術の主な利点は、実際の制御および通信ハードウェアとソフトウェアを、HIL装置内で動作している電力コンポーネントのモデルにリアルタイムで接続できることである。シミュレーションでは、研究できるのは電力と制御の単純化されたモデルだけである。
風力タービン業界の例 - 24時間365日のHILテストと絶え間ないテスト
ドイツのケンペンにあるウッドワード社は、風力発電産業向けグリッド・タイド・コンバータの独立系最大手メーカーである。その設置ベースは、陸上および洋上用途の15,500台以上のコンバータで構成され、二重給電発電機、同期発電機、非同期発電機をグリッドに接続している。
最近、Woodward GmbHは、ソフトウェア品質のコストを削減し、General Electric社、Suzlon社、Senvion社などの顧客とのコミュニケーションを簡素化するために、複数のHILベースのテストキャビネットを備えた大規模なHIL（Hardware-in-the-Loop）コントローラ試験ラボを建設した。
ウッドワード社のHILラボでは、テスト・セットアップに社内イントラネットからアクセスできる。これは、ソフトウェア開発者がオフィスからHILテスト・キャビネットにアクセスし、実験室や現場で行うにはコストがかかったり、現実的でないテストを実行できることを意味する。さらに、ウッドワード社は、HILの結果を実験室の測定値と較正するために多大な労力を費やしており、実験室の測定値とHILテストが見事に一致することを発見している。
超高忠実度のリアルタイム・シミュレーションHILモデルと完全なテスト自動化により、ウッドワード社はテスト・カバレッジを劇的に向上させ、投資の主な目的であった品質コストを削減した。
マイクログリッド試験用ループ内ハードウェア
従来、マイクログリッドは、病院、データセンター、中断してはならない産業プロセスを持つ工場などの重要な負荷のバックアップ電源として使用されていた。マイクログリッドは通常、発電機と開閉装置を駆動する1台以上の内燃機関で構成されている。
今日、マイクログリッドには、太陽光発電や風力発電、蓄電池が追加されている。その結果、このようなマイクログリッドはイナーシャが小さく（あるいは全くなく）、よりダイナミックではるかに複雑なものとなっている。保護リレー、通信ネットワーク、マイクログリッドコントローラーとともに複雑な電力システムであり、あらゆる運転条件下で安全かつ信頼性の高い運転を保証するためには、徹底的な試験と検証が必要である。
MITリンカーン研究所マイクログリッドコントローラーシンポジウムの教訓
マサチューセッツ・クリーン・エネルギー・センターと MITリンカーン研究所が主催した今年のマイクログリッド＆DERコントローラー・シンポジウムでは、イートン、ゼネラル・エレクトリック、シュバイツァー・エンジニアリング・ラボラトリーズ、シュナイダー・エレクトリックの、本物の、ありのままの産業用マイクログリッド・コントローラーが脚光を浴びた。
マイクログリッド・コントローラーは、24台のバスを備えた3つのフィーダー、ディーゼル発電機1台、熱電併給型天然ガス発電機1台、蓄電池、PVインバーター、およびマイクログリッド・テストベッド内で稼働する多数の負荷を制御した。マイクログリッドコントローラーは、さまざまな障害、放射照度プロファイル、負荷プロファイル、マイクログリッドコントローラーへの配電管理システム（DMS）の要求（有効/無効電力の輸出、アイランド化など）を含む、幅広い妨害に対処しなければならなかった。
重要な発見は、今日の技術では、マイクログリッド制御システムの設計とテストは難しく（コストもかかる）、一方、適切なツールなしで設計とテストを行うのは現実的ではないということだ。まとめると、この課題に対する正しい公式は次のようになる：
- マイクログリッドHILを使用する、
- シンプルに始めよう、
- 最初にマイクログリッドHILモデルで通信を設定し、テストする、
- 実際のコントローラーをループに入れてテストし、自信をつける、
- マイクログリッドのコントローラーのサイバーセキュリティをテストする。
- 容赦なくテストする。
結論
配電網は、断続的な分散型電源の導入と、情報通信技術の広範な応用によって、急速な変貌を遂げつつある。このような変革は、配電網をより弾力的で柔軟なものにする機会をもたらす。同時に、許容可能な品質コストを確保するために、先進的な試験ツールが必要となる。
クレジット
著者 ｜ニコラ・フィッシャー・セラノヴィッチ
ビジュアル ｜Typhoon HIL
編集 ｜デボラ・サント
