導入
この記事は、Microgrid Conference Panel 2019 の「マイクログリッドが確実に機能することを確認する: コントローラー ハードウェア イン ザ ループ (C-HIL) とモデルベース エンジニアリングによるリスク軽減」シリーズの 2 番目です。
イートンの地域技術マネージャーであるQiang Fu氏は、特別セッションのパネリストの一人でした。彼は、マイクログリッド、再生可能エネルギー、電力変換などの技術の特定、開発、検証を行う研究チームを率いています。
彼は、モデルベースのシステムエンジニアリングとコントローラのハードウェア・イン・ザ・ループがマイクログリッド開発で解決する主な課題について話しました。
マイクログリッドシステムインテグレーターの主な課題
Fu 氏は、複雑な電力システムを設計およびテストする際に電力システム インテグレーターが直面するいくつかの大きな課題について次のように述べています。
- マイクログリッド制御パフォーマンスの最適化| 再生可能エネルギー資源（DER）からのエネルギーは絶えず変動しており、制御が困難です。この断続的な発電を制御するには、エネルギー貯蔵、ディーゼル発電機、天然ガス発電機などの他の資産を追加することが不可欠です。マイクログリッドのエネルギーミックスにこれらの要素を追加すると、様々なDERコンポーネントの制御を最適化することが非常に困難になります。
- 高額でリスクの高いラボテスト|電力業界が高出力システムへと移行するにつれ、これらのメガワット級システムをテストするためのラボインフラの構築コストは増大しています。また、エンジニアにとって、機器を損傷する可能性のある高電圧電源を備えたラボでテストを行うことはリスクを伴います。
- オンサイトエンジニアリングコスト| 試運転前の徹底的なテストや検証が不足しているため、オンサイトエンジニアリングコストは非常に高額になる可能性があります。試運転後のエラー修正には、多大なエンジニアリング作業が必要です。また、停電やメンテナンスによるダウンタイムで事業が停止した場合、顧客にとっても損失となります。
- 再利用可能または反復可能なモデル| マイクログリッドアプリケーションエンジニアは、マイクログリッドのアプリケーションとサイトの設置状況に合わせてカスタマイズされたモデルを設計します。マイクログリッドモデルは、ダイナミクス、電気性能、通信プロトコル、そして複数のコンポーネントベンダーによる多様な仕様が混在するため、再利用が困難です。電力システムエンジニアは、新しいマイクログリッドモデルを設計し、複数の仕様を持つ多数のマイクログリッドコンポーネントベンダーの中から適切なモデルを選択する必要があります。
- マイクログリッドの新規顧客獲得| システムインテグレーターは、潜在顧客に対し、マイクログリッド制御機能の付加価値を示すことができます。これには、あらゆる動作条件に対応できる高度なコントローラ機能が含まれます。また、特定の障害ケースや、予期せぬ系統からの切断などの過渡事象にも対応可能です。さらに、設備固有の様々な動作条件にも対応可能です。
マイクログリッドの役割| 公益企業 vs. マイクログリッド顧客
Fu 氏は、マイクログリッド開発者が電力システムを設計する際に役立つ、マイクログリッドの役割に関する 2 つの異なる視点を提示しています。
電力会社にとって最大の懸念は、分散型エネルギー源（DER）が電力系統に追加される際に、マイクログリッドが配電系統をどのようにサポートし、系統の安定性を確保できるかということです。配電系統の安定性を向上させるために、フー氏は次のように付け加えています。
ユーティリティは、分散リソースを間接的に制御する方法にもっと関心を持っています。
フー氏はデマンドレスポンス・プログラムを例に挙げています。電力会社は、アンシラリー市場への参加を通じて、マイクログリッドのDERを間接的に制御することができます。このプログラムに参加することで、電力会社は家庭の負荷を制御し、配電系統の需給バランスを調整することができます。顧客側、つまりマイクログリッドのエンドユーザー側について、フー氏は次のように述べています。
彼らは、マイクログリッドによって運用コストを大幅に削減し、安定性と回復力を高めることができる方法を検討しています。
こうした多様な視点から、アンシラリー市場への参入を可能にする高度なマイクログリッドコントローラ機能が必要です。電力システム内の様々なDERと負荷を最適化するための高度なコントローラ性能も必要です。
マイクログリッドプロジェクトライフサイクルにおけるHIL使用の段階
マイクログリッドのライフサイクルのどの段階で HIL を使用するのが適切でしょうか? Fu 氏は、Eaton におけるこれまでのマイクログリッド プロジェクトにおける HIL の使用段階について説明します。
ステージ1 | 技術分析ステージ
これは、マイクログリッドソリューションを顧客にとって経済的に実現可能なものにするための費用対効果分析です。この分析に基づいて、様々な設計が提案されます。
ステージ2 | デバイスの選択
次に、実際の導入で使用するデバイスを選択します。この部分では、既存のシステムを拡張することも、一部のコンポーネントを改造することもできます。
ステージ3 | HIL統合
次のステップは、そのハードウェアをHILプラットフォームに統合することです。実際のマイクログリッドコントローラー、通信インターフェース、その他のデバイスをシミュレーション用に統合します。
HILテスト済み| マイクログリッドコントローラのわずかな変更
実際のデバイス（通信インターフェース、自動化機能、制御機能）はすでにプラットフォームに統合されているとフー氏は言う。
HIL テスト後、実際のデバイスはすべてプラットフォームに統合されているため、オンサイトでマイクログリッド コントローラーを展開するときに、マイクログリッド コントローラーに多くの変更を加える必要はありません。
実際のコントローラーと実際のデバイスをテストすることで、現場に導入する際にマイクログリッド コントローラーを変更する必要はほとんどありません。
HILテスト済み| HILテストのメリット
メリット1 | オンサイトエンジニアリングコストの削減
Fu 氏は、導入前のパフォーマンス検証によって、最もコストと時間がかかりがちな、必要なオンサイト エンジニアリング作業のレベルが大幅に削減されることを強調しています。
これは、エンジニアリングの労力、エンジニアリングの時間、コストを大幅に削減するのに役立ちます。
彼のチームは、現場での限られたテストケースと比較して、コントローラーのHILプラットフォーム上で無制限の動作シナリオをテストできます。HILにおける実機コントローラーとの高い忠実度でのテストカバレッジは、現場での故障の可能性を大幅に低減するのに役立ちます。
メリット #2 | 将来のマイクログリッドプロジェクトのための標準モジュール
マイクログリッドは特定のアプリケーションとカスタム要件に合わせて開発されるため、ダイナミクス、電気性能、通信プロトコルが異なるため、マイクログリッドモデルの再利用が困難です。また、複数のコンポーネントベンダーから提供される仕様も多岐にわたります。
HILは、マイクログリッド制御の設計とテストを加速する標準モデルを提供します。これらの標準HILモジュールは、将来のマイクログリッドプロジェクトで再利用できます。また、モデルパラメータを変更することで、特定のシナリオに合わせて調整することも可能です。
メリット3 | 安全かつ効果的なリスク軽減
HIL アプローチは、安全かつ効果的なリスク軽減も提供します。
エンジニアは、高出力コンバータ用の危険な高出力機器を使用することで、実際のシステムを壊すリスクなしに、コントローラーのファームウェアを安全にデバッグできます。
実装前に HIL を使用して実現可能性をテストすると、このようなシナリオを安全に回避できます。
メリット #4 | 概念デモでマイクログリッドプロジェクトを獲得
HIL はエンジニアリングの労力を節約するだけでなく、顧客を獲得するための重要なプラットフォームにもなります。
Fu氏は、HILによって、チームが潜在顧客にマイクログリッド制御機能の付加価値を迅速に提示できると付け加えています。これには、あらゆる動作条件に対応できる高度な制御機能が含まれます。また、特定の障害ケースや、予期せぬ系統からの切断などの過渡的イベントにも対応できます。さらに、設備固有の様々な動作条件にも対応可能です。
最終的な結論| 設計から試運転まで1つのツールで
理想的なシナリオは、マイクログリッドのライフサイクル全体にわたって使用できるワンストップのテストツールを備えることです。実際のシステムと並行して実行できるデジタルツインは、設計から試運転、保守まで、あらゆる場面で役立ちます。
マイクログリッドベンダーと連携することで、HIL企業は既存のベンダー仕様を継続的に更新し、マイクログリッドエンジニアが電力システムを迅速にシミュレーション・評価できるようになります。フー氏は次のように述べています。
何かを抽象化して HIL ライブラリに配置することができれば、マイクログリッド アプリケーション エンジニアはそれをロードして、どのコントローラーを使用するかを確認するだけで済みます。
マイクログリッド ライブラリを使用すると、マイクログリッド アプリケーション エンジニアは抽象モデルをすばやく読み込み、使用するコントローラーを決定し、コントローラーのパフォーマンスを評価できます。
リアルタイム コントローラーのハードウェア イン ザ ループ マイクログリッド テストベッドは、マイクログリッドのライフサイクル全体を通じてマイクログリッド プロジェクトを加速するための唯一のツールになります。
クレジット
著者| サマンサ・ブルース
ビジュアル| 台風HIL
編集者| デボラ・サント
