はじめに
マイクログリッドは、発電機と同じくらい古くから存在している。実際、高度に集中化された送電網が構築される以前は、電気は小規模なマイクログリッドで発電、分散、使用されていた。
そして興味深いことに、これらの最初のマイクログリッドは直流マイクログリッドだった。
テスラが多相交流（AC）を導入し、発電、配電、消費を一変させる前に、ニューヨークのトーマス・エジソンによって建設された。
今日のマイクログリッドは大きく異なっている。持続可能で再生可能な発電の追求、より柔軟で多用途、回復力のある電力システムの必要性、パワー・エレクトロニクス・コンバーターによる効率的な電力制御能力といった社会的要請がその原動力となっている。
マイクログリッドには主に3つのタイプがある：
- カスタマー・マイクログリッド（私たちが「標準的」と考えるマイクログリッド）；
- 配電用マイクログリッド；
- 遠隔マイクログリッド。
カスタマー・マイクログリッドは、共通結合点（PCC）の下流でグリッドに接続された自己制御サブシステムである真のマイクログリッドである。
公益事業の配電マイクログリッドは、規制された送電網の一部である配電サブシステムであり、公益事業がDERポートフォリオを管理し、ネットワークの信頼性を向上させることを目的として所有・運営されている。
リモート・マイクログリッド（電力システム）は、系統連系モードで稼働することのない島しょ型電力システムである。
ここでは、アイランド型とグリッドタイド型の両方で動作するグリッドタイド型マイクログリッドに焦点を当てる。
マイクログリッド制御の要件
マイクログリッドは、動的制御や安定化を含む大規模送電網のすべての機能を提供しなければならないが、制御インフラははるかに単純で、発電機の数も少なく、システムの慣性もかなり小さいため、複雑なシステムである。
現代のマイクログリッドのダイナミクスは、時定数がマイクロ秒から秒、そして分や時間にまで及ぶ。ユーティリティ・グリッドがグリッド制御と安定化に利用可能なリソースをはるかに多く持っているのに対して、マイクログリッドは非常に少ない数のエネルギー・リソースで同じ電力品質を達成することが期待されており、多くの場合、断続的な電源（PV、風力など）が大きく普及している。
マイクログリッドの制御と安定化が複雑なのはこのためだ。
マイクログリッドは、6つの主要機能のサブセットを提供することが期待されている：
- 周波数と電圧の調整
- 紡績予備軍
- スタンドアロン動作
- グリッド・タイド・モードからアイランド・モードへのシームレスな移行
- ピークカット
- 荷重移動
これら6つの機能はすべて、マイクログリッド・コントローラーによって実現される。
マイクログリッドのコントローラー・アーキテクチャ
マイクログリッドの制御装置は、制御対象となるマイクログリッドの性質上、時間的にも空間的にも分散している。
マイクログリッドコントローラーの時間的分布は、先のグラフに描かれているように、マイクログリッドコントローラーがミリ秒の範囲（電圧と周波数の制御）から数分、数時間（負荷シフトとディスパッチ）にわたるシステムダイナミクスを制御するという事実に由来する。
マイクログリッド・コントローラーの空間的な分布は、ほとんどのマイクログリッド・デバイス（定義上、分散型である）が低レベルのコントローラー（高速）をデバイス上に持ち、高レベルのコントローラー（低速）は集中型、分散型、または両者のハイブリッドのいずれかであるという事実に起因する。
中央マイクログリッド・コントローラーのトポロジーでは、1つのマスター・コントローラーがマイクログリッド機器と直接通信し、すべての機器の制御と調整を行う。中央制御の問題点は単一障害点であるが、これはコントローラを二重化することで軽減できる。
分散制御アーキテクチャは、制御タスクが複数のコントローラで実行されることを意味し、本質的に制御や通信の障害に対するロバスト性を意味する。このアプローチは柔軟性と耐障害性を高めるが、その代償として制御設計が複雑になり、テストと検証も複雑になる。
実用的なマイクログリッドでは、中央集権型コントローラーが依然として主流だが、分散型制御の例も増えており、分散型制御の研究に大きな注目が集まっている。
プライマリー・コントローラ
マイクログリッドは様々な機器から構成され、その中には独自のコントローラーや通信リンクを持つものもあれば、純粋にパッシブなものもある。
例を 挙げよう：
- 太陽光発電
- 燃料電池
- 発電機
- 蓄電池
- フライホイール
- 風力発電機
- 水力発電機
- 保護リレー
- アクティブフィルター
- 負荷
個々のデバイス・コントローラーは、標準的なグリッド・コードと品質基準を満たすようメーカーによってテストされているが、これは、マイクログリッドに統合された後、そのデバイスが必ずしも他のデバイスとうまく機能することを保証するものではない。
特に、マイクログリッドは通常、電力品質制御が非常に弱く、弱いグリッドとして特徴づけられる。脆弱なマイクログリッドに接続された複数のソーラー・インバータが相互作用を開始し、故障状態を引き起こすことはよくある問題である。これらの同じインバーターは、強力なグリッドに接続されていれば正常に動作する。
多くの商業プロジェクトにおいて、マイクログリッドは、既存の配電（サブ）システムをマイクログリッド・コントローラー、保護リレー、再生可能発電とエネルギー貯蔵でアップグレードすることで構築される。このようなマイクログリッドでは、コンポーネントの相互運用性がないため、信頼性の高い制御とチューニングが難しい。
今日、相互運用性の問題のほとんどは、単一ベンダーによって設計、建設、試運転された同種のマイクログリッドを配備することで回避（解決）されている。
機器やコントローラーが異なるメーカーから供給される、より異種混合のマイクログリッドに移行するにつれ、相互運用性の問題は、標準化されたテストプロセス、新しいテスト機器、新しい標準、テスト自動化の新しい方法で対処する必要がある。実際、設計に含まれるすべての新しい機器は、レガシー・マイクログリッド・コンポーネントと互換性がある必要がある。
マイクログリッド・コントローラーのテストと検証方法
マイクログリッド・コントローラー、スマート・インバーター、分散型エネルギー資源、あるいはシステム全体のいずれを開発するにしても、ソフトウェア、ファームウェア、通信を含むマイクログリッド・コントローラーは、広範なテストと検証が必要である。
そのためには、マイクログリッドの各コンポーネントを個別にテストし（PVインバータ、バッテリー・インバータなど）、資産／サブシステムのグループを変化させ（例：ディーゼル発電機と重要な負荷グループ）、最後にシステム全体をテストする必要がある。そのため、可能な限り効率的な方法でテストを行う必要がある。
今日、最も広く採用されているアプローチは、システム構築に直接飛び込んで、構築と試運転を行いながらテストを行うか、マイクログリッド試験ラボを使ってテストを行うかのどちらかである。
パワーラボは実に印象的なエンジニアリングだが、マイクログリッドのコントローラーのファームウェアとソフトウェアを、ハイパワーと高電圧のマイクログリッドのテストベッドでテストするのは、コストがかかるだけでなく、テストカバレッジが限られた、非常に柔軟性のないテスト方法である。
HIL（Hardware in the Loop）シミュレーション（C-HIL（Controller Hardware in the Loop）と呼ばれることもある）は、電力業界では新しいテスト手法である。このテスト手法は、自動車産業や航空宇宙産業では何十年も前から行われており、コントローラのテストには欠かせないものでした。
パワーエレクトロニクスとマイクログリッドの場合、これは、超高忠実度でパワーステージをシミュレートし、リアルタイムシミュレーションのループ内で実際のコントローラを使用することを含む。言い換えれば、HILマイクログリッドのテストベッドは、実際のマイクログリッドと同一の制御システムを持ち、電力ハードウェアだけが超高忠実度でエミュレートされます。
ハードウェア・イン・ザ・ループ・マイクログリッドのテストでは、以下のことが可能である：
- 年中無休の教師なしコントローラーテスト；
- 自動テスト；
- 繰り返し可能な試験条件；
- 認定ラボの試験条件を社内で再現；
- 自動テストレポート；
- ハードウェアの抽象化によるテスト手順の統一化
- 継続的インテグレーション（CI）のテストプラクティス、
- テストポイントあたりのコストが桁違いに低い。
マイクログリッド・コントローラの試験をカバーする既存の規格はありませんが、ハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレーション・ツールを使用して、開発当初からコントローラを試験することは、いくら強調しても足りません。制御装置が精力的にテストされた後、電力テストはハードウェアテストと最終的なシステムテストに不可欠です。
マイクログリッドコントローラーの規格
米国には、マイクログリッド制御、相互運用性、マイクログリッド制御テストをカバーする既存の規格はないが、IEEEの2つのワーキンググループが策定中である：IEEE2030.7とIEEE2030.8であり、マイクログリッド・コントローラーに特化している。
P2030.7は、「マイクログリッド・コントローラーの仕様に関する標準」となることを意図している。IEEEによって与えられている：
「マイクログリッド・エネルギー管理システム（MEMS）の標準を策定する理由は、プラットフォームに依存しないまとまりのあるインターフェースを通じて、MEMSの運用に必要なさまざまなコントローラーやコンポーネントの相互運用性を可能にすることである。このアプローチにより、"プラグアンドプレイ "を犠牲にしたり、潜在的な機能を制限したりすることなく、コンポーネントや制御アルゴリズムを柔軟にカスタマイズして導入することが可能になる..."
P2030.8は、「マイクログリッド・コントローラーの試験に関する標準」となることを意図している。IEEEによって与えられている：
"マイクログリッド・コントローラーの試験規格を制定する理由は、まとまりのあるプラットフォーム非依存のインターフェースを通じて、コントローラーの操作に必要なさまざまなコントローラーやコンポーネントの相互運用性を可能にするという観点から、標準化された試験手順を確立するためである。"
マイクログリッドのコントローラーやテストが標準規格（例えばUL1741やBDEW TR3のソーラー・インバーターなど）でカバーされるようになる前に、私たちはコミュニティとして「事実上の」標準規格とテスト手順を開発し、適用する必要があります。基本的な試験要件が標準化されれば、テストケースやプロセスを拡大していくことになる。
ハードウェア・イン・ザ・ループは、高度な機能を備えた先進的なマイクログリッドを実現するための中心的なツールとなる。さらに、HILは、実際の信頼性の高い設計を展開しながら、実験、学習、設計の迅速な進化を可能にする。
クレジット
著者 ｜イヴァン・セラノヴィッチ
ビジュアル ｜Typhoon HIL
編集 ｜デボラ・サント
