2017年5月15日

マイクログリッドと配電ネットワークのデジタル化

所要時間 | 6分

分散型発電（太陽光・風力など）、蓄電池、高度な電力電子コンバータ、スマートリレーの普及により、将来の配電網は大幅に動的化する。サイバー攻撃や自然災害に対する耐性を確保するため、電圧と周波数を維持しつつ網の一部を独立運転させる分散制御アーキテクチャが不可欠となる。こうした網がよりスマートなサイバーフィジカルシステムへ進化するにつれ、効率的な試験ツールへの需要と複雑性は増大する。ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）技術は、デジタル制御・通信システムを改造せずに超高忠実度のリアルタイムシミュレーションを提供する重要な解決策として台頭している。本ブログでは、電力電子機器、風力タービン、マイクログリッドのテストにおけるHILの変革的な影響を探り、具体例を通じてその利点を明らかにする。

はじめに

将来の配電網は、現在よりもはるかに動的になる。その主な要因は、分散型発電の普及である。これは主に、太陽光や風力といった間欠的な再生可能エネルギー源の指数関数的技術導入、蓄電池、そして高度に動的な電力電子コンバータやスマートリレーによって推進される。さらに、サイバー攻撃や自然災害に対する耐性を考慮すると、より分散型の制御アーキテクチャ、すなわち配電網のセル構造設計が求められる。これは、網の一部が独立した島として動作し、自らの電圧と周波数を制御できると同時に、大規模な系統の一部として機能できる設計である。

分散型電力網の進化がどこへ向かうか――メッシュ型か放射状か、交流か直流か、あるいは交流直流ハイブリッドか――にかかわらず、電力網は「よりスマート」になり、デジタル制御・通信コンポーネントやサブシステムがますます多く組み込まれることは明らかである。実際、電力網は真のサイバーフィジカルシステムへと変貌しつつある。サイバーフィジカル技術がもたらす機会に伴い、電力網の複雑性は増大し、より効率的な試験ツールへの需要を促進するだろう。

優れた試験ツール、すなわち将来の配電網構成における設計・試験コストの急増を抑えるのに役立つツールは、サブマイクロ秒から数分、さらにはそれ以上の時間定数に至るまで、関心のある幅広い時間定数をカバーしなければならない。重要な特徴は、そのような試験ツールが、実際の制御・通信サブシステムのハードウェアおよびソフトウェアを、いかなる改造も加えることなくすべて試験できる能力を備えていることである。

電力電子コンバータ向けハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）

ほぼ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動的なスイッチングコンバータを介して系統に接続されている。さらに、こうしたデバイスはますます高度な系統支援機能を備えています。例えば、ドイツのBDEW FGW TR3規格や米国のUL 1741 SA規格では、系統内で動作する太陽光コンバータが満たすべき要件を詳細に規定しています。この機能性の検証には多大なコストと時間を要するため、市場投入までの期間が長期化します。これがスマートコンバータ試験におけるHILツールの普及を促進する主な要因です。

HIL技術の主な利点は、コンピュータシミュレーションと比較した場合、実際の制御・通信ハードウェアおよびソフトウェアを、HILデバイス内でリアルタイムに動作する電力コンポーネントのモデルに接続できる点にある。シミュレーションでは、電力および制御の簡略化されたモデルのみを研究対象とすることができる。

HILテスト.jpg — HIL技術により、コントローラハードウェアやコントローラソフトウェアを一切変更することなく、高度なデジタル制御・通信システムの試験が可能となります。左側が実システム、右側がHILモデルです。どちらの場合もコントローラが同一であることにご注目ください。

風力タービン産業の事例 – HILテストを年中無休で実施し、絶え間なくテストを継続

ドイツ・ケンペンに拠点を置くウッドワード社は、風力発電業界向け系統連系コンバータの最大手独立メーカーである。同社の設置実績は陸上・洋上両用途において15,500台以上に上り、二重給電式発電機、同期発電機、非同期発電機を系統に接続するインターフェースを担っている。

最近、ウッドワード社はソフトウェア品質のコスト削減と、ゼネラル・エレクトリック、スズルン、センビオンなどの顧客とのコミュニケーション簡素化を目的として、複数のHILベース試験キャビネットを備えた大規模なハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）コントローラ試験ラボを建設した。

ウッドワードHIL室.jpg — ウッドワード社におけるハードウェア・イン・ザ・ループ試験装置は、6つのキャビネットで構成され、コンバータ、発電機、グリッドの6つの構成を独立（自動）試験可能とする。

ウッドワードHILラボでは、テストセットアップは社内イントラネット経由でアクセス可能です。これにより、ソフトウェア開発者はオフィスからHILテストキャビネットにアクセスし、実験室や現場ではコストがかかりすぎたり非現実的だったりするテストを実行できます。さらに、ウッドワードはHIL結果と実験室測定値の較正に多大な努力を注いでおり、実験室測定値とHILテストの間に優れた一致が確認されています。

超高精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、ウッドワードはテストカバレッジを劇的に拡大し、品質コストを削減した。これが投資の主目的であった。

マイクログリッド試験のためのハードウェア・イン・ザ・ループ

従来、マイクログリッドは病院、データセンター、中断が許されない工業プロセスを有する工場など、重要負荷向けの予備電源として利用されてきた。これらは通常、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た。

現在、太陽光発電や風力発電、さらに蓄電池がマイクログリッドに追加されている。その結果、こうしたマイクログリッドは慣性が低い（あるいは皆無）となり、はるかに動的で複雑なシステムとなっている。保護継電器、通信ネットワーク、マイクログリッド制御装置と相まって、これらは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用を保証するには、徹底的な試験と検証が必要である。

2017_02 マイクログリッドワークショップ v2.png — マイクログリッド試験装置は、保護継電器、ガバナー、コンバータ制御装置と通信するマイクログリッド制御装置によって制御されるマイクログリッドのリアルタイムモデルで構成される。

MITリンカーン研究所マイクログリッド制御シンポジウムから得られた教訓

マサチューセッツ州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＆分散型エネルギー資源（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、シュワイツァー・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といった企業による、純粋無垢な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。

マイクログリッド試験環境内では、3系統のフィーダー（24のバスを含む）、ディーゼル発電機1基、熱電併給式天然ガス発電機1基、蓄電池、太陽光発電インバーター、および多数の負荷を制御していた。マイクログリッド制御装置は、様々な障害、日射量プロファイル、負荷プロファイル、および配電管理システム（DMS）からのマイクログリッド制御装置への要求（例：有効電力/無効電力の輸出、孤立運転など）を含む、広範な障害に対処する必要があった。

主要な発見は、現在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が困難（かつ高コスト）である一方、適切なツールなしでの設計とテストは非現実的だということである。要約すると、この課題に対する適切な解決策は次の通りである：