ソリッドステート変圧器：Typhoon HILを用いた C-HIL 試験

はじめに| ソリッドステート・トランスフォーマーの台頭  

ソリッドステート変圧器（SST）は、多段式パワーエレクトロニクス（通常、アクティブ・フロントエンド整流器、絶縁型共振DC-DCコンバータ、および出力インバータで構成される）を用いて、従来の銅・鉄製変圧器に取って代わりつつあります。このアーキテクチャにより、能動的な電力管理、双方向の電力流れ、電気的絶縁、および分散型エネルギー資源のシームレスな統合が可能となり、そのサイズと重量は従来のわずか数分の1に抑えられています。 

しかし、SSTの強力な性能を支えるこの多段階の複雑さこそが、そのテストを困難にしている要因でもあります。このブログでは、Typhoon HIL コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）シミュレーションTyphoon HIL エンジニアがSST制御システム全体をリアルタイムで検証Typhoon HIL 、開発を加速させながらリスクを低減する方法について解説します。 

課題 | SSTのテストがこれほど難しいのはなぜなのか？ 

C-HILシミュレーションはSST制御の検証に向けた自然な手法ではありますが、それを正しく行うことは決して容易なことではありません。 

• 多段構成の複雑性：SST内のAC-DC段、絶縁型DC-DC段、およびDC-AC段は、それぞれ独自のコントローラを搭載しており、これらすべてが起動、電圧バランス調整、および電力分担を正確なタイミングで連携させる必要があります。 システム全体は、多くの場合、単一のエミュレーションユニットの処理能力を超えるため、モデル全体にわたって同期とシミュレーションの精度を維持するには、超低遅延のソルバー間リンクを介して接続された複数のデバイスによる構成が必要となります。デバイス間の遅延が十分に低くない場合、シミュレーションは不正確かつ数値的に不安定になり、信頼できない結果が生成されるリスクがあります。
• 高スイッチング周波数で制御される共振型コンバータのシミュレーション精度：CLLCトポロジーを採用した共振型コンバータは、SiCやGaNデバイスを基盤として構築されるケースが増えており、通常100 kHz以上、多くの場合それを大幅に上回る周波数で動作しています。 これらの周波数におけるスイッチング過渡現象やソフトスイッチング挙動を正確に捉えるには、共振型コンバータレベルで極めて小さなシミュレーション時間ステップが必要となる。多くのHILプラットフォームには、この解像度を維持するための処理能力が不足しており、エンジニアはモデルを簡略化したり、段を省略したり、あるいは実際のコンバータを正確に表現できなくなった結果を受け入れざるを得ない状況に追い込まれている。 
• 安全な故障注入：10～50 kVの電圧域において、実機ハードウェア上で故障挙動を検証することは、コストがかかるだけでなく危険でもあります。シュートスルー事象、系統故障、負荷過渡現象はシミュレーションで試験する必要がありますが、多くのプラットフォームでは、SSTが依存するコンバータトポロジーに対する安定した故障注入機能が備わっていません。 故障の途中で収束しなくなるソルバーや、DABおよびCLLCコンバータにおけるシュートスルーをシミュレートできないプラットフォームでは、最も重要なシナリオが検証されないままになってしまう。 
• プラットフォームのワークフローとモデル構築の労力：多くのHILプラットフォーム上で完全なSSTモデルを構築すること自体が大きな作業であり、多くの場合、数週間にわたるセットアップ作業や、ほとんどの制御エンジニアが持ち合わせていないFPGAおよびVHDLの専門知識が必要となり、わずかな変更であっても再コンパイルに数時間を要します。ファームウェアの反復開発を行うチームにとって、こうしたオーバーヘッドは急速に累積し、テストカバレッジを狭め、開発サイクルを遅らせてしまいます。 使い勝手の悪いHIL環境は、単に利用頻度が低下するだけでなく、その結果生じるテストカバレッジの不足は、現場で何らかの不具合が発生するまでほとんど明らかにならないのが実情です。 

ソリューション | Typhoon HIL もの 

Typhoon HIL 、パワーエレクトロニクスの複雑性を念頭に置いて構築Typhoon HIL 。一般的なHILプラットフォームではSSTシミュレーションを例外的なケースとして扱うのに対し、Typhoonではこれを中核的なユースケースとして位置付けています。上記の課題のそれぞれに対して、このプラットフォームでは単なる回避策ではなく、具体的な解決策が用意されています。 

• 精度を損なうことなくスケーリング：Typhoon HIL 、FPGA上ですべてのSST変換ステージを同時にTyphoon HIL 、モデル全体にわたって正確なステージ間結合と決定論的なリアルタイム挙動を実現します。 システムの複雑さが単一のエミュレーションユニットで処理可能な範囲を超える場合、Typhoonの高速シリアルリンク（HSSL）がデバイスをFPGA間直接接続し、ソルバー間のレイテンシは1マイクロ秒に迫り、信号経路にCPUは介在しません。完全なモデルは、単一の共振コンバータ段から完全なマルチポートSSTに至るまで、シミュレーションの精度や安定性を損なうことなく、一貫したワークフロー内でスケーリングが可能です。 
• 高周波コンバータ向けのナノ秒単位の解像度：Typhoon社のUltraCoreソルバーは3.5 nsの時間ステップで動作し、500 kHzをはるかに上回るスイッチング周波数に対応するとともに、SiCおよびGaNベースのCLLCコンバータの高速な動的挙動を正確に捉えます。 重要な点は、これらがドラッグ＆ドロップで利用可能な、実用段階に達した成熟したモデルであり、設定にカスタムVHDLの知識を必要とするような新機能ではないということです。エンジニアは、FPGAに関する専門的な知識がなくても、共振型コンバータの正確なシミュレーションを行うことができます。 
• あらゆる重大な故障シナリオを安全にテスト：Typhoon HIL 、DABおよびCLLCコンバータにおけるシュートスルーシミュレーションに加え、DC側のクランプ故障、センサー故障、およびすべてのスイッチングデバイスにわたる開回路・短絡の注入Typhoon HIL 。 これらのシナリオはプログラムによってトリガーされ、完全に再現可能です。これは、発散することなく故障注入を処理するように構築されたソルバーによって支えられています。物理ハードウェア上では危険であるか、あるいは再現が不可能な故障シナリオも、シミュレーション内で完全に定義、実行、反復することができます。 
• モデル構築の時間を短縮し、テストに充てる時間を増やす：Typhoon HIL 、直感的なドラッグ＆ドロップ環境を通じて構築され、関連するすべてのSSTトポロジーを標準で網羅した充実したコンポーネントライブラリが用意されています。 FPGAやVHDLの専門知識は不要であり、修正や再コンパイルも数日ではなく数分で完了します。また、このプラットフォームはPythonベースの広範なAPIを提供しており、エンジニアはシミュレーションをプログラムで完全に制御できるほか、パラメータスイープ、故障注入シーケンス、合否検証を網羅する自動テストキャンペーンを、手動テストでは到底及ばない規模で実施することが可能です。 

結論 | 実モデルに反映された課題 

Typhoon HILライブラリで利用可能なSSTのサンプルモデル（図1）は、単なるデモ用として設計されたものではありません。 これは、7.2 kV AC配電網と1 kV DCバスを接続する100 kVA SSTトポロジーの実用的なC-HILデモモデルであり、実際の制御ハードウェア（HIL TI μGrid LaunchPadインターフェースボードを介してHIL606に接続された2つのTexas Instruments LAUNCHXL-F28379Dマイクロコントローラ）と連動して動作します。 このモデルに組み込まれた設計上の判断は、本記事で説明した課題を正確に反映しています。 

パワーステージでは、アクティブ・フロント・エンドとして単相3モジュール構成のカスケードHブリッジを採用しており、これは単純なLフィルタを介して系統に接続され、各モジュールにはデュアル・アクティブ・ブリッジ（DAB）コンバータが接続されています。3つのDABモジュールの出力は並列接続され、DC負荷に電力を供給します。また、出力段にはローパスフィルタが配置されており、最終的な電圧および電流から高周波リップルを除去しています。 制御は真に分散化されています。1つのDSPがAFEサブシステム全体を管理し、各CHBモジュールのDCリンクを3.8～4 kVに調整すると同時に、グリッド入力で力率1を維持します。もう1つのDSPは、並列出力電圧をSCADAで制御される設定値である1 kVに調整するとともに、各モジュールから均等な電力が引き出されるようにします。 各段間の動的特性はリアルタイムで完全に連動しており、これこそが、このシステムを単なる簡略化された代替品ではなく、有意義な試験環境たらしめている要因です。 

DABコンバータは、100 kHzのスイッチング周波数で動作します。この周波数では、正確なシミュレーションを行うためには、UltraCoreコアが提供するナノ秒オーダーの時間分解能が不可欠であり、これには、高周波トランス挙動を忠実に再現するために不可欠な非線形インダクタモデルのサポートも含まれます。 

このモデルには、SCADAパネルから直接起動可能なDAB短絡試験も組み込まれています（図2）。ボタンを1つ押すだけで、選択されたコンバータの1つの相に短絡が発生しますが、シミュレーションはこの事象の間も安定した状態を維持します。これは、稼働中の高周波コンバータに対するシュートスルー故障の注入を直接実証するものです。 同じパネルでは、Vdc基準電圧および出力負荷ステップの設定が可能であり、ユーザーにはさらに一歩進んで、PIゲインやプラントパラメータを変更し、さまざまな動作条件下におけるシステムの安定性マージンや動的応答を調査することを推奨しています。 

もう1つ特筆すべき点は、2つのTI DSP上で実行されている組み込みコードは、いずれも手作業で記述されたものではないということです。 これらはすべて、新たにリリースされたTI C2000 Toolboxバージョン1.0.0を使用して自動生成されたものであり、このツールは回路図でモデル化された制御アルゴリズムを、LAUNCHXL-F28379Dボード向けに直接デプロイ可能なコードに変換します。テスト対象のコントローラは、その構造上、設計されたコントローラそのものであるため、実装ミスが通常発生しがちな手動での変換工程が不要となります。