風力エネルギーは増加の一途をたどっていますが、風力タービン制御システムは嵐を乗り切ることができるでしょうか？
現代の風力タービンは、もはや単純な機械ではありません。風力タービンは、空気力学的なブレードのピッチ調整やヨーイングから、グリッド同期や厳格なフォールト・ライド・スルー（FRT）コンプライアンスまで、すべてを管理する複雑なコントローラー・アーキテクチャを特徴とする、大規模でソフトウェア駆動型のサイバー・フィジカル・システムへと進化しています。タービンの容量が大きくなるにつれて、安全で信頼性の高いグリッド統合に不可欠な、故障回復力、周波数サポート、無効電力制御を含むホモロゲーションと規制テストの要求も大きくなっています。
多くの地域では、特に発電機の系統接続要件に関する欧州ネットワークコード（RfG）の下で、タービンは電圧低下や故障の間も系統に接続されたままでなければならず、これは前述のFRTとして知られる機能である。この要件は、過渡障害時にタービンが切断されないようにすることで、広範囲の停電や系統の不安定化を防ぐのに役立ちます。
このように複雑さが増しているため、タービン制御ソフトウェアは厳密に検証されなければならない。自己診断から、より高度なパークコントローラーとの通信、複雑なFRTやグリッドコンプライアンスの動作に至るまで、ソフトウェアは事実上あらゆる性能面を支えている。これを効果的に検証するためには、制御システムを早期に、徹底的に、現実的で故障を含まない運転条件下でテストする必要がある。そこで、HIL（Hardware-in-the-Loop）シミュレーションの出番となります。HILシミュレーションは、物理的なプロトタイプが利用可能になるずっと前に、タービン制御を検証するための安全でコスト効率の高い包括的な環境をエンジニアに提供します。
風：パワフルだが予測不可能な資源
風は古典的な四大元素のひとつで、動き、予測不可能性、自由を表す。物理学では、風は運動エネルギーに変換され、それを利用して発電することができる。
風力タービンのブレードは、風の運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーが発電機に接続されたシャフトを駆動し、機械動力を電気に変換する。このプロセスの効率は、以下のようないくつかの要因に左右される：
- ブレードの長さと空力設計
- ブレードのピッチとヨーのメカニズム
- 風速、空気密度、乱流
- 発電機とインバータの応答
- グリッド同期と制御ロジック
風そのものは自由だが、風力タービンの建設と維持はそうではない。風力タービンは、時には高所に設置され、塩水噴霧や激しい暴風雨に耐えるなど、過酷な環境下で何十年も使用しなければなりません。風車の寿命を最大限に延ばすということは、可能な限り効率的に使用し、運転期間中の出力を最適化するということです。風力タービンを制御するソフトウェアの改善によって、風力タービンの出力効率、性能の信頼性、寿命を改善する大きなチャンスがある。
失敗の代償
現代のタービンは、台数だけでなく容量も増加している。これによってエネルギー出力が向上する一方で、システムの複雑さも増しており、特に電気系統と制御サブシステムで故障が多発している。コントローラーの故障による短時間の停止でさえ、エネルギー生産と収益の連鎖的な損失を引き起こす可能性がある。さらに、風力タービンは通常、完成したユニットとして納入されるため、現地での修理や改造が不可能な場合が多い。洋上風力発電所のように遠隔地にある風力タービンの修理チームや資材を輸送するのは複雑でコストがかかるからだ。
そのため、設計段階での徹底的なテストが不可欠となる。モデリングは価値があるが、それだけでは不十分である。パフォーマンスを検証し、制御を最適化し、配備前にソフトウェアのバグを除去するためには、現実的な条件下でのリアルタイムのテストと組み合わせる必要がある。
リアルタイムシミュレーションのための風力タービンのモデリング：3つのコア領域
風力タービンを完全にシミュレートするには、3つの相互接続モデル（図1）を開発する必要があります：
- 空力モデル：風速と風向をローターシャフトの機械的トルクに変換する。
- メカニカルモデル: 回転慣性、シャフトダイナミクス、ギアボックス効果を記述する。
- 電気モデル：シャフトトルクを発電機とパワーエレクトロニクスを介して電気出力に変換
これらのモデルを使えば、エンジニアは、ボルト1本締めるよりもずっと前に、様々な風プロファイル、タービン制御アクション、グリッドイベント、故障に対してシステムがどのように反応するかをシミュレートすることができる。
ハードウェア・イン・ザ・ループギャップを埋める
HILシミュレーションにより、エンジニアはクローズドループ環境で風力タービン制御システムをテストできます。つまり、HILシミュレーションでテストされるコントローラは、実際のシステムとまったく同じように動作しますが、物理的なタービンを駆動するのではなく、タービン、グリッド、環境のリアルタイムシミュレーションと相互作用します。
HILシミュレーションとテストの主な利点は以下の通りです：
- エッジケースや故障モードに対するより広いテストカバレッジ
- 自動化された反復可能なテストによる開発の高速化
- バグの早期発見による信頼性と安全性の向上
- ハードウェアが製造される前に設計上の問題を発見することによるコスト削減
- 制御コード更新の継続的統合によるCI/CDワークフローのサポート
Typhoon HILのFPGAベースの超高忠実度リアルタイムシミュレーションプラットフォームにより、開発者は突風、系統故障、緊急停止に対するタービンの応答を評価することができます。
実際の使用例逆風コントロール
高度な制御アルゴリズムは、過酷な風条件下でタービンを安定させるためにますます使用されるようになっている。例えば、風速が安全限界を超えた場合、システムは動的にブレードのピッチを変更したり、ブレーキ機構を作動させたりして、オーバースピード、オーバーヒート、風力タービンの損傷を防ぎます。このようなシナリオは困難でコストがかかり、時には現場でテストするには危険すぎることさえあります。しかし、HILを使えば簡単にシミュレーションできます。
Typhoon HILソリューションを使用することで、エンジニアは以下のことが可能になります：
- 現実的な風速プロファイルの導入
- IGBTスイッチングレベルまでのタービンの電気部分を超高忠実度でシミュレートします。
- DFIG発電機やマルチレベル・インバータなどのモデリングに、ライブラリからコンポーネントをドラッグ・アンド・ドロップする。
- タービンの電気出力をシミュレートする
- 制御ソフトウェアの反応をリアルタイムで検証する
- 最初のプロトタイプや風力タービンが建設される前に、大規模な自動テスト・スイートを実行してシステムの機能性を確認する。
- 結果の自動記録、バージョンの比較、回帰の検出
ベッツの限界とテストのビジネスケース
風力エネルギーを100％利用できるタービンはない。Betzの制限では、風力発電の最大59.3％を有用な機械エネルギーに変換できるとされている。つまり、効率マージンは厳しく、1％1ポイントが重要なのだ。最適化されていない制御コードによるわずか1～2％の効率低下は、投資収益率を大幅に低下させる可能性がある。
リアルタイム・シミュレーションとHILテストを活用することで、メーカーやシステム・インテグレーターはモデルから市場へ自信を持って移行し、リスクを最小限に抑えながらエネルギー収量を最大化することができます。
結論HILでより良い風力タービンを作る
風力タービンの制御はマルチドメインな課題ですが、適切なツールがあれば管理可能です。Typhoon HILのプラットフォームは、高度なモデリング、超高速シミュレーション、自動テストオーケストレーションを組み合わせ、風力発電システムのテスト、検証、最適化のための包括的な環境を開発者に提供します。Typhoon HILは、直感的なドラッグ・アンド・ドロップ・インターフェースにより、大規模なフルサイズのインバータ・アーキテクチャのシミュレーションを可能にし、FPGAベースのリアルタイム・シミュレータ上で可飽和機械モデル（ASM、PMSM、DFIG）とシームレスに組み合わせることができます。当社の高度なFPGA統合により、これらのモデルはわずか数分でコンパイルでき、1マイクロ秒以下の速度で完全なスイッチング動作で実行されます。
風は予測できません。制御システムはそのようなことはありません。 当社のHILソリューションをお客様のプロジェクトに採用することで、どのように短時間でより良い結果を出すことができるか、無料デモをご予約の上、当社チームまでお問い合わせください。
