はじめに
サンディア国立研究所は、12,000人以上の従業員を擁する米国エネルギー省最大の国立研究所である。サンディア国立研究所は、標準化団体や分散型エネルギー研究（DER）ベンダーのためのインバータ開発と試験プロトコルのサポートにおいて主要な役割を担っている。
サンディアの技術スタッフの主要メンバーであるジェイ・ジョンソンは、米国、欧州、アジアで複数の再生可能エネルギー研究プロジェクトを率いている。彼の研究論文「SunSpec-Compliant Smart Grid Controllerの設計と評価」と、Controller Hardware-in-the-Loop（CHIL）が斬新なアプローチである理由について語ります。
DERベンダーがインバーターを開発・テストする際に直面する主な課題とは？
メガワット以上の超大型インバーターになると、そのような実験を行える試験所を見つけるのはますます難しくなる。また、実験を行うにはかなりの費用がかかる。
そこで、フルスケールの電圧・電流レベルではなく、コントローラーのハードウエア・イン・ザ・ループ・システムを使って実験を行うことが、より理にかなったものになるかもしれない。
自動化されたHIL（Hardware-in-the-Loop）テストベッドを備えたSunSpec準拠のスマートグリッドコントローラーに関する研究論文の目標は何でしたか？
現在、IEEE 1547の大規模な改訂が行われており、2018年に発行される予定である。この論文は、インバータが要件に適合していることを検証し、妥当性を確認するために、認証試験を実施したり、さまざまな実験のテストシーケンスを実行したりすることに関するものである。
例えば、Volt-Var 関数、Frequency-Watt 関数、Fixed Power Factor を見てきました。これらの関数は、系統運用者が系統の電圧や周波数を調整するのに役立ちます。
なぜC-HIL（Controller Hardware-in-the-Loop）システムを使用して実験を行ったのですか？
コントローラー・ハードウエア・イン・ザ・ループ・システムは、DER技術を本格的に導入する前に実験を行うことができるという点で、非常にユニークなシステムです。つまり、インバーターを使ってグリッド・シミュレーター、PVシミュレーター、データ収集システムで実験を行う代わりに、コンピューターの頭脳をコントローラー・ハードウェア・イン・ザ・ループ・システムに接続することができる。Typhoon HILシステムによく似ている。
グリッドコードコンプライアンスのために、なぜこれらのテストシーケンスを自動化することが重要なのでしょうか？
UL 1741の認証手順では、何百もの測定があるため、これは重要です。自動化された試験スクリプトを使用してこれらの試験を実行することで、電圧を15段階に調整し、何度も繰り返しながら必要な電圧-電圧曲線を作成することができます。UL 1741 SA（CA規則21に基づく）の電圧-電圧試験シーケンスでは、テストエンジニアが収集しなければならないデータポイントが何千種類もあるため、これを手作業で行うのは非常に困難です。
手作業では1週間はかかるだろう。CHILプラットフォームを使えば、数時間で完了することができた。
ボタンをワンクリックするだけで、1週間かけて丹念に各電圧設定を調整してから測定するのとは対照的に、立ち去り、戻って結果を得ることができる。
ラボのセットアップにおいて、どのようにしてこれらのテストシーケンスを自動化することができたのですか？
私たちがここで行っている興味深いことは、C-HILシステム内のDC側、AC側、データ収集システムをサードパーティのソフトウェア・プラットフォームに統合していることです。それがサンスペック社のシステム・バリデーション・プラットフォーム（SVP）です。Typhoon APIを使用してこのプラットフォームと連動させることで、テストシーケンスを自動化することができます。
SVP-CHILプラットフォームのセットアップにかかる時間は、フルパワーのラボと比較してどのくらいですか？
これについては、いくつか見積もりを出すことができる：世界中の国立研究所が電力試験所を建設するのに12カ月から18カ月かかっていることは知っている。
コントローラーのハードウエア・イン・ザ・ループは、実験室の建設に必要な電力設備を設置するよりもはるかに短時間で済むだろう。
この機器をすべて購入するには数十万ドルかかる。一方、コントローラー・ハードウエア・イン・ザ・ループ・システムを使えば、比較的簡単で、セットアップに1ヵ月ほどかかる。
C-HILテストベッドは、DERベンダーがインバータ・コントローラの開発段階を加速する上で、どのように役立つのでしょうか。
パワーステージで作業しているときにバグが発生すると機器にダメージを与える可能性があるため、インバーターソフトウェアを迅速に変更するための非常に便利で簡単な方法です。一方、プロセスの初期段階では、コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループを使用していれば、実際に大電流や大電圧が流れることはありません。そのため、機器にダメージを与えるリスクはありません。
例えば私たちの実験では、オーストリア工科大学（AIT）と協力していた。AITはインバーターコントローラーを開発し、私たちは高度なグリッド機能のテストシーケンスを実行した。問題が発生すると、AITにそのことを伝え、ファームウェアを変更してもらうことができた。
このC-HILプラットフォームは、インバーターコントローラーのファームウェア設計段階において非常に重要だと言えますか？
その通りだ。しかし、開発段階の後半で実施しなければならないテストがたくさんある。
設計の最終段階ではなく、最初の段階でテストシーケンスを実行すれば、このような開発を行う前に、コントローラに存在するミスを発見することができる。
本質的に、私たちはデザインのループを短縮しているのだ。
開発に関わるスケジュールやコストの面でも、はるかに優れている。DERベンダーにとってのメリットは、設計の最終段階に進む前にエラーや問題を発見できるようなシステムを構築することだ。
このプラットフォームを使って、ファームウェア設計のミスを修正した具体例を教えてください。
ある実験では、SunSpec Modbusマップを表現するためにModbusサーバーを使用していました。また、これらの高度なグリッド機能の実装に関連する問題も見ることができます。サンスペック・レジスタ・マップ内の設定を更新してインバータに渡すと、通信サーバではそれが表示されますが、実際にはインバータには反映されません。
ベンダーは、パワーモジュールが通信マイクロプロセッサーが主張することを実際に行っているかどうかを検証する必要がある。
シミュレーション結果の精度は？
一般的に、これらのシステムの精度は非常に優れている。確かに、コントローラーのハードウエア・イン・ザ・ループに送られる各アナログ信号には固有の公差があります。しかし、それらはかなり正確だと思います。それよりも、インバータのDC側とAC側がどれだけうまくモデル化されているかが問題だ。
DERベンダーがC-HILテストベッドを利用する最大のメリットは何だと思いますか？
まあ、ここには複数の利点があると思います。まず第一に、基本的な制御機能の開発に実際に取り組んでいるわけですから、その点で大いに役立ちます。DERベンダーは、これらの異なる機能のチューニングを非常に迅速に繰り返し、ほぼリアルタイムで結果を得ることができ、必要に応じてファームウェアを再アップデートして結果を再確認することができる。また、物理的なインバータに導入する前に、デバイスが認証テストに合格するかどうかをチェックすることもできる。
そして最後の質問、「Hardware-in-the-Loop」を一言で表すと？
ハードウェア・イン・ザ・ループを一言で。未来志向だ。
クレジット
著者 ｜サマンサ・ブルース
ビジュアル ｜Typhoon HIL
編集 ｜デボラ・サント
謝辞｜サンディア国立研究所は、DE-NA-0003525 契約の下、米国エネルギー省国家核安全保障局のために、ハネウェル・インターナショナルの完全所有子会社であるサンディアのナショナル・テクノロジー・アンド・エンジニアリング・ソリューションズ社（National Technology and Engineering Solutions of Sandia, LLC.）によって管理・運営されているマルチミッション研究所である。
