導入
コントローラー ハードウェア イン ザ ループは、あらゆるコーナー ケースに対処できるため、実際の検証または実装の前に行う非常に重要かつ必須のステップです。
ノースカロライナ州立大学の未来型再生可能電力供給および管理 (FREEDM) システム センターでは、米国の大学と業界パートナーが、高度な電力エレクトロニクスを使用して電力網の近代化に注力しています。
FREEDM システム センターの創設教員の 1 人である Subhashish Bhattacharya 博士の研究は、DC マイクログリッドを含むパワー エレクトロニクスと電力システムに重点を置いています。
Bhattacharya 博士は、コントローラー ハードウェア イン ザ ループ (C-HIL) が、学術界から産業界に至るまで、DC マイクログリッド コントローラーの設計、検証、テストのサイクル時間をどのように短縮したかについて説明します。
DC マイクログリッド制御プラットフォームを設計、実装、検証する前に解決する必要がある主な課題は何ですか?
さまざまな負荷源をDCマイクログリッドに統合する場合、これらの負荷と電源をどれだけ適切にモデル化できるかが大きな課題となります。そして、それら間の相互作用の可能性についても常に疑問が残ります。
制御機器は、設計対象となる負荷や発生源を制御するだけでなく、異なる負荷や発生源間のあらゆる振動や相互作用を抑制できるように設計する必要があります。言い換えれば、これらの制御機器はスマートで機敏である必要があります。
リアルタイム シミュレーション システムと比較したオフライン シミュレーションの制限は何ですか?
オフラインシミュレーションには大きな限界があります。私たちの制御器は、制御器の非理想性だけでなく、負荷や電源の非理想性も考慮しない理想的なものになりがちです。パワーエレクトロニクスにおけるこれらの非理想性は、しばしば制御の相互作用の原因となります。また、制御器のあらゆるコーナーケースを調査することもできません。
マイクログリッド コントローラーの実装と検証の前に、コントローラー ハードウェア イン ザ ループ プラットフォームが必須のステップなのはなぜですか?
コントローラーのハードウェア・イン・ザ・ループは、実際の検証や実装の前に非常に重要かつ必須のステップです。あらゆるコーナーケースに対応できるためです。そして、まるで目の前に実際のハードウェアがあるかのようにコントローラーを設計できます。
また、オフライン シミュレーションでは非常に高い精度や精密さで実行できない、あらゆる種類のシステム障害をエミュレートすることもできます。
この C-HIL システムがコントローラーの設計とテストのプロセスをどの程度加速したかを概算していただけますか?
小規模なDC マイクログリッドシステムの場合、台風がなければ 3 ～ 4 か月かかっていた停電が、ほぼ 1 ～ 2 週間に短縮されると言っても過言ではありません。
Typhoon HIL システムのセットアップについて簡単に説明していただけますか?
システムのエミュレーションには、Typhoon HILシステムを1つ使用しました。これはバックボーンシステムと考えることができます。これにより、実際のDCバスをバックボーンとして持つ実際のシステムと同様の表現が可能になります。このバス上で、あらゆる種類の外乱、故障、そしてあらゆる種類の標準ケースや、遵守が必要な規制を作成できます。
そして、他のTyphoonシミュレータが負荷と電源としてシステムに接続されています。つまり、Typhoonボックスに接続された実際のコントローラが存在し、Typhoonが実際のパワーエレクトロニクスコンバータシステムをエミュレートしていることになります。
あなたの経験からすると、DC マイクログリッド上の負荷、ソース、およびその他のコンポーネントのこれらのモデルはどの程度現実的でしょうか?
Typhoonシステムは非常に現実的です。実際のコンバータ、つまりスイッチングコンバータをエミュレートできるため、平均的なモデリングを行う必要がなく、外挿も不要です。まるで目の前に本物のコンバータがあるかのように扱うことができます。DC-DCコンバータ、DC-ACコンバータ、AC-DCコンバータ、さらにはスイッチング機能を備えたAC-ACコンバータなど、様々なコンバータが考えられます。そして、これがTyphoonシステムの大きな違いです。つまり、まさに現実のシステムに対応したコントローラを設計しているのです。
Typhoon システムでコントローラーを検証したら、実際のコンバーターに取り付ける前にコントローラーにそれ以上変更を加える必要はありません。
それは強力なものですね。
通信プロトコルについてお話ししましょう。DCマイクログリッド制御用の完全なModbus通信ネットワークをどのようにテストしたのでしょうか？
Modbusはマスター・スレーブ方式で動作します。1台のTyphoonから、マスター・スレーブ方式で動作する他のTyphoonへのModbusマスター通信を設定しました。これは、実際の実装、あるいは実際の産業用実装と全く同じです。つまり、これは実際のシナリオをほぼ再現しています。
サイバーセキュリティについてはどうですか？C-HILでサイバーセキュリティ攻撃を防ぐための確実な通信プロトコルをどのようにテストしましたか？
サイバーセキュリティの観点から、いくつか試してみました。一つは、IC 61850のような高度なプロトコルにサイバーセキュリティ機能を組み込むことで、システムの安全性を完全に確保することです。Modbusでは、ハッキングのような状況を再現し、一つの端末から複数のコントローラの情報を取り出すことができるようにしました。
どのようなファイアウォールや機能を組み込む必要があるかをお見せしようとしています。コントローラが、リクエストがDCマイクログリッド内からではなく外部から来ていることを認識できるようにするためです。それが私たちが実装し、お見せできたことです。
産業界の経験を持つ学者として、この技術が商業的な観点からもどのように役立つかについて、非常に興味深い視点をお持ちだと思います。このHIL（ハードウェア・イン・ザ・ループ）は、研究室環境から産業界の現場導入への移行にどのように役立ちましたか？
そうです、ループ内のハードウェアは、アクティブな研究から現場での展開や業界での検証部分への移行のサイクル時間を大幅に短縮します。
皆さんに理解していただきたい最も重要なことは、Typhoon システムでは実際に本物のコンバーターをエミュレートしているということです。
コントローラの観点から見ると、Typhoonボックスと実際のコンバータシステムの間に違いはありません。そのため、設計通り、そして実システムで検証された通りに動作することを非常に高いレベルで確信できます。そのため、実システムへの移行は非常に短期間で完了します。
研究者として資金を獲得し、研究を発表するのに、これはどのように役立ちましたか?
資金面から見ると、実際のハードウェアでは不可能な、様々なシナリオを非常に迅速に試し、状況や障害状況をエミュレートできます。ラピッドプロトタイピングというこのコンセプト全体、つまりあらゆるコーナーケースを迅速に検証することで、非常に包括的なテストケースを作成できます。
つまり、あらゆる不明点や疑問が解消されます。また、資金審査担当者が通常抱く疑問を予測して回答できるため、回答に非常に役立ちます。
学術雑誌は完全なハードウェアの結果ではなく HIL の結果を受け入れますか?
私の経験から言うと、HILの結果は受け入れられます。それでも疑問がある場合は、基本的に1つのHILの結果を1つのハードウェアの結果で検証するだけで済みます。繰り返しになりますが、私の経験から言うと、HILの結果は実際には受け入れられます。なぜなら、私たちの研究を通して、HILの結果とハードウェアの結果は互いに重なり合っていることが実証されているからです。
では、他の HIL ソリューションと比較して、Typhoon HIL の使用経験をどのように評価しますか?
私がいつも言えることは、 Typhoon HILを使った学生の学習曲線が最も短かったということです。そして、Typhoon HILは最も堅牢なシステムを提供してくれたとも言えます。
そのため、生徒たちはすぐに興味を持ち、多くのことを探求できるようになるため、やる気を引き出す要因として非常に役立っています。
Typhoon が他のリアルタイム システムと比べて優れている点は、その堅牢性と使いやすさだと思います。
あなたの研究におけるこの技術の最大の可能性は何ですか?
論文と研究を通して、複数のTyphoonを実際のシステムでどのように連携させるかを実装し、実証することができました。単に複数のTyphoonを使うという観点ではなく、現場で見られるような実際のシステムをエミュレートするのです。世の中のあらゆるものは分散化されているため、実際にはパワーエレクトロニクスを用いた分散制御システムをエミュレートしていることになります。
HIL での経験を一言で表すとしたら何ですか?
素晴らしいと思います。
クレジット
著者| サマンサ・ブルース
ビジュアル| FREEDMセンター
編集者| デボラ・サント
