はじめに
世界中のエネルギーネットワークは、インダストリー4.0、分散型エネルギー資源（DER）、電気自動車（EV）など、多くの分野における新たな進展を原動力として、ますます分散化が進む方向へ進化しています。 これは、危険な停電や供給停止を回避するため、堅牢な地域制御システムと蓄電システムへの需要が高まっていることを意味します。これらの要因は特に二つの分野で革新を推進しています：エネルギー貯蔵と分散型エネルギー資源向けの新たな電力電子制御装置、そしてより広範な条件下でマイクログリッドを効果的に制御できる新たなシステムレベルの制御アーキテクチャです。
新技術は新たな試験を意味し、特にナノ秒単位の差が安定性と故障を分ける場合にはなおさらである。現役の電力技術者はこうしたニーズに対応するため、新デバイスのリアルタイムかつ高忠実度検証手段としてハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）を急速に導入している。特にハードウェア機器とソフトウェアモデルを接続するHILの利用は、試験コストの飛躍的低減と試験速度の向上により拡大している。 重要なことに、テスト自動化における新たな進展と機器モデリングの経験により、システムインテグレーターもHILテストを用いて制御スキームを検証できるようになっている。
ハードウェア・イン・ザ・ループとは何を意味しますか？
HILとは、物理デバイスがリアルタイムシミュレーションに接続されている状態を指します。これは電力ハードウェアの一部である場合もあれば、制御器ハードウェアの一部である場合もあります。電力ハードウェアを用いたHILシミュレーションは、しばしばPower HIL（P-HIL）と呼ばれます。制御器ハードウェアがリアルタイムシミュレーションに接続されているHILシミュレーションは、C-HILと呼びます。
フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）プロセッサ技術の進歩により、アナログサンプリングレートが200ナノ秒という低速で、デジタル入力ゲート駆動信号（GDS）のオーバーサンプリングレートが3.5ナノ秒という低速を実現した商用C-HILテストシステムが市販されるようになった。
C-HILアプローチとは何か、そしてその使用方法は？
C-HIL試験手法とは、物理制御システム（ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア）の性能を、C-HILプラットフォーム上でリアルタイムにシミュレートされる数学モデルに対して検証する試験手順である。この手法は自動車および航空宇宙産業において数十年にわたり、高度な制御システムの試験に最適な方法として採用されてきた。 制御装置をリアルタイムでシミュレートされる仮想プラントモデルに接続することで、実験室では検証が困難あるいは非現実的である動作条件に加え、時間と費用がかかり過ぎるため実施が正当化されない条件のテストが可能となります。
これらの利点は、テスト対象の性能システムの信頼性と品質に明らかな影響を与えます。このため、モデルベースのHILテストおよび検証を採用し、その使用にコミットするコンポーネントメーカーは、 HIL Tested 認証を取得できる可能性があり、これは製品性能と品質が高忠実度環境で検証済みであることを示すものです。
C-HILアプローチの主な欠点は、外部コントローラを統合する場合、C-HILデバイスと被試験制御システムを適切に接続するために専用の信号調整インターフェースが必要となる可能性がある点である。しかし、このコストはフルパワー実験室を構築する費用には遠く及ばない。
コントローラーとモデルはどのように接続されますか？
従来のP-HIL手法では、実電力性能をテストするため、電力システムの要素からコントローラへ単純な電力ケーブルを直接配線していた。C-HILでは電力フローがモデル内部で発生するため、コントローラが実電力フローを制御しているかのように「体感」できるインターフェースが重要となる。
主要な電力制御ハードウェアメーカーとの長年の協力関係により、Typhoon 複数の既製コントローラインターフェースを備えており、箱から出してすぐにC-HILテストを実行できます。C-HILテスト用に接続可能なコントローラは、その HIL Compatible 認証マークで識別され、以下の点を保証します：
- Typhoon Control Center において、コントローラモデルが開発される。
- HIL用の事前構築済みインターフェースが開発済みであるか、またはコントローラに組み込まれている。
- コントローラーのバージョン管理が実装され、モデルとインターフェースが最新の状態に保たれるようになりました。
HIL互換コントローラを既に開発しているインバータメーカーおよびシステムインテグレータには、ABB、EPC Power、シュナイダーエレクトリック、ウッドワードなどが含まれる。
どうすればテストをもっと速く実行できるでしょうか？
新規マイクログリッド導入のための試験実施には、多くの異なる検証シナリオを通じて繰り返し行う必要がある複雑な試験条件が求められることが多い。こうした試験を事前に計画することは非常に時間がかかり、一部の企業ではこれらの重要な試験を自動化するために専任のテスト自動化エンジニアを採用することさえある。
新しいツールである TyphoonTest Automation FrameworkやTyphoonTestIDEといった新ツールにより、パワーエンジニアはソフトウェアインターフェースから直接、詳細な自動生成レポート付きの強力なテストスクリプトを作成できます。これにはほとんど、あるいは全くコーディング知識が不要です。これによりテストをより迅速に、より少ないオーバーヘッドで実行でき、エンジニアはテストプロセス自体の開発ではなく、信頼性の高いシステムの設計に大幅に多くの時間を割けるようになります。
これはマイクログリッドの試験にとって何を意味するのか？
パワーエレクトロニクス試験にC-HILを活用することで、デバイスメーカーは既存または新規のパワーエレクトロニクス機器が、マイクログリッド特有の課題に対して実証済みかつHILテスト済みであることをより容易に保証できます。これらのコントローラをHIL互換とすることで、システムインテグレータは実証済みデバイスを用いた高忠実度環境下でシステムレベル制御の複数オプションをシミュレート可能となり、新規マイクログリッドの設計・実装にかかるコストとリスクを大幅に削減できます。
クレジット
著者 | セルジオ・コスタ
ビジュアル | カール・ミッケイ
編集者 | デボラ・サント
