富士電機、UPS制御試験にHILを導入

富士電機株式会社
パワーエレクトロニクスシステム エネルギー事業本部
電源装置開発部
梅澤和義氏、佃元宏氏、君津拓也氏（写真左より）

はじめに

富士電機について

富士電機の神戸工場は、設立以来、先進的なパワーエレクトロニクス・コンバータをベースとした製品の開発・製造拠点として機能してきた。私たちは、同社の制御開発および制御試験チームに話を聞き、彼らが無停電電源装置（UPS）の開発にTyphoon HILプラットフォームをどのように使用しているかを直接学ぶまたとない機会を得た。

Typhoon HILを選んだ決め手は、超高忠実度と使いやすさ。

佃基浩氏

富士電機のUPS開発部門の仕事とは？

業務用小型UPSシステム（1000kVA）、データセンター用MW規模UPSシステム（1.5MVA）、太陽光発電用高出力インバーター（1MVA）、燃料電池用パワーコンバーター（100kVA）などです。

HILTyphoon どのように知りましたか？

数年前、制御開発と制御テストのプロセスを改善するために、C-HIL（Controller Hardware In the Loop）技術を採用することを社内で決定しました。最初の調査の後、HIL製品を提供している会社を5社見つけ、カタログを見て、スペックと性能を深く調べました。最終的に、私たちはTyphoon HILソリューションを選びました。HILの仕様が他のソリューションより優れていただけでなく、Typhoon HILはソフトウェア、ハードウェア、エンジニアリングサービスからなる完全なソリューションを提供していました。

私たちは、オフラインのシミュレーターやラボテストだけを使うことが、製品開発を著しく遅らせていると感じていました。

佃基浩氏

課題

HIL以前の設計とテストのプロセスについて教えてください。

コントロールの開発とテストにC-HILを採用する前は、3つの方法に大きく依存していた：

1. オフラインシミュレーション；
2. 「オープンループ」HILシミュレーション；
3. ハイパワーのラボテスト。

シミュレーションでは、実際の制御ファームウェア/ハードウェアの低忠実度モデルを抽象化して使用するため、コントローラの早期テスト（早期V&V）のためのオフラインシミュレーションは非常に限られています。オフライン・シミュレーションに加えて、私たちは信号発生器をテスト中の制御ボードへの刺激として使用することで、コントローラをデバッグしました。このアプローチは、コンバーターのパワー・ステージ・モデルをコントローラと "クローズド・ループ "でシミュレートすることができなかったため、大きな制約がありました。

コントローラー・テスト（後期V&V）の最終段階として、パワー・コンバーターの設計が完了し準備が整えば、ハイパワー実験室でソフトウェアのデバッグを行う予定だ。実際の大電力試験中に故障を注入することは、費用がかかり、危険で、大惨事になる可能性がありました。従って、実際のパワー・ステージで良好なテスト・カバレッジを達成するのは非常に困難で、コストもかかった。また、複数のUPSシステムの並列運転をテストする場合、特別な負荷や追加人員を必要とする電力要件が増加するため、コストと時間の要件が高くなります。

ソリューション

Typhoon HIL導入の決め手は？

私たちにとって重要なのは、HILの忠実度と全体的な性能でした。Typhoon 他のHILメーカーと比較する際、私たちは性能に注目しました。制御性能の検証や高速保護機能の検証など、忠実度の高いシミュレーション結果を得るためには、250ナノ秒以下のリアルタイムシミュレーションステップが必要でした。当社（富士電機）のコントローラの中には3マイクロ秒の分解能でサンプリングするものもあり、シミュレータがそれよりも遅いとテスト結果が役に立ちません。

どのようなパワー・コンバーター・モデルを作っているのですか？

現在、新しいUPS電力変換器モデル（単一コンバータと並列構成）を構築中です。並列UPSシステムのシミュレーションのために、Typhoon HIL604を3台並列に設置し、シミュレーション能力をさらに高めています。UPS側での故障注入とグリッド側での短絡事象のモデルを準備しています。

HILテストのお気に入りの利点は何ですか？

C-HILテストベッドでは、コントローラーの動作を素早く確認することができるため、新しい制御ソフトウェアの機能開発やデバッグが非常に容易になりました。また、ハイパワーラボでは再現が難しいケースでも動作確認ができるようになり、時間とコストを削減できるようになった。

C-HILセットアップの結果をパワーラボやフィールドテストの結果と比較し、完全に一致した場合、それはしばしば魔法のように感じられる。

結果

HILは人材確保やテスト計画にどのような影響を与えましたか？

高電圧ハイパワーが要求されるため、ハイパワーのラボ試験を行う場合、ラボの安全基準に基づき、すべての試験中に少なくとも2人以上の人間が立ち会う必要があります。さらに、試験の準備、機器の手配、コンバータのスタートアップ、ラボでの安全注意事項の準備など、2人で1週間ほどかかります。Typhoon HILテストベッドを使えば、昼夜を問わず、オフィスで、デスクで、簡単にシミュレーションを開始し、テストを実行することができます。HIL回路図エディターでモデルを作成した後は、コンバーターを使用する日時や製品をテストする日時を予約するなど、テストスケジュールを計画する必要はありません。テストと検証の柔軟性と効率が格段に向上しました。まさに画期的な機能です。

ハイパワーラボでは再現が困難なケースでも、迅速に動作確認ができるようになり、時間とコストを削減できるようになった。

佃基浩氏

Typhoon HILでの今後の計画は？

我々は、ソフトウェアの検証および妥当性確認（V&V）のためのHIL利用を拡大し続けている。Typhoon 利用を開始し、ソフトウェアの回帰テストに夜間の自動テスト実行を導入する予定です。短期的な目標は、少なくとも1000のテストケースに到達すること、そしてデイリーテスト、ウィークリーテスト、フルリリーステストスケジュールでソフトウェア開発をコントロールするための継続的インテグレーション（CI）プロセスを展開することです。

クレジット

インタビュアー ｜杉山勇
翻訳 ｜イヴァン・セラノヴィッチ
映像 ｜富士電機、Typhoon HIL
編集 ｜デボラ・サント