導入
FlexGen は、石油・ガス、海洋、産業用電力システム向けの画期的なハイブリッド エネルギー貯蔵ソフトウェアと電力変換製品により、世界のエネルギー貯蔵業界をリードしています。
同社のエネルギー貯蔵システムは、電力生産・小売企業の Vista Energy から委託を受け、10 メガワット/42 メガワット時の貯蔵システムを構築したもので、テキサス州最大のバッテリーとなりました。1
FlexGen のエンジニアリング ディレクターの Tony Olivo 氏とファームウェア エンジニアの Preston Miller 氏が、Typhoon HIL の統合プラットフォームを使用して最高品質の制御システムをテストおよび検証した方法について説明します。
Typhoon HIL:では、インバーターメーカーがインバーターの開発とテストを行う際に直面する課題についてお話ししましょう。
トニー：従来の製品開発環境では、ファームウェアチームは制御作業の最後尾に配属されます。彼らはフロントエンド開発とハードウェア開発の間に挟まれ、実規模の電力システムでテストする機会はほとんどありません。メガワット規模の電力システムを扱うとなると、テストベッドを確保するのは至難の業です。
Typhoon HIL：プレストンさん、ファームウェアの設計と制御テストを主に担当されていますね。HIL（ハードウェア・イン・ザ・ループ）テストベッド導入前は、インバーターコントローラーのファームウェアをどのようにテストしていたのでしょうか？
プレストン：ハードウェア・イン・ザ・ループが登場する前は、制御設計ソフトウェアとシミュレーションソフトウェアを使って、コンポーネントのパラメータや理想的なコンポーネントを操作していました。コントローラーを直接接続することはできません。そこで、独自のコントローラーとハードウェアのセットアップをシミュレーションし、それらをインターフェースで接続します。そして、それらはすべて、何らかのシミュレーション・テストベンチ上で実行されます。
Typhoon HIL:実際のコントローラーを使用する代わりにコントローラーをシミュレーションすることのデメリットは何ですか？ 実際に問題が発生したことはありますか？
プレストン：ええ、その通りです。シミュレーションと実際のコントローラー実装を変換しようとすると、見落としてしまうことがよくあるんです。
台風HIL:見逃してしまいそうなものにはどんなものがありますか?
プレストン：幸運だったとは思いますが、パルス幅変調（PWM）、デッドタイム、パワースタックの上下のスイッチを同時にオンにしてしまうといった問題で、危うく事故に遭うところでした。基本的に、システム全体を破壊してしまう可能性があります。これは何とか発見できましたが、それほど幸運ではなかった可能性も十分にあります。
Typhoon HIL:フルパワー機器を使用した 1 回のテストには、一般的にどれくらいの費用がかかりますか?
トニー:負荷バンクを使用して 1 メガワットのシステムをフルパワーでテストする場合の総コストは、1 か月あたり約 35,000 ドルになります。
Typhoon HIL:テストサイクルはどのくらいですか?
Tony:シミュレーション モデルから実際のハードウェアへの実装に直接移行する場合、設計検証と製品検証の一般的なテスト サイクルは約 3 か月になります。
Typhoon HIL：かなりの金額ですね。では、どのようにして開発サイクルを短縮したのですか？
Tony: Hardware-in-the-Loop を使用すると、フルパワーのテスト ラボを用意しなくてもソフトウェア機能の機能検証を行うことができます。
ハードウェア・イン・ザ・ループがあれば、HIL と制御ボードだけを備えた小規模で低消費電力のラボで設計検証テストをすべて実行できます。
そして、テスト サイクルの最後の 1 か月だけ、完全なパワー テスト セットアップを実施し、製造と機能検証の両方で最終的な品質を実際に確認します。
Typhoon HIL：プレストンさん、トニーさんがおっしゃっていた設計初期段階と最終段階における機能検証について、もう少し詳しくお聞かせください。どのような主要コンポーネントをモデリングしていたのですか？
プレストン:私たちは、並列 IGBT とウルトラキャパシタまたはバッテリーストレージ、インダクタ、発電機を含む電力システム全体をモデル化しました。
さまざまな種類の発電機や負荷など、あらゆるものを検討しました。Typhoonライブラリでは、まさに徹底的な調査を行いました。
Typhoon HIL:電力ラボ環境ではシミュレートが困難だったどのようなテストケースを HIL でシミュレートできましたか?
プレストン:容量性負荷テストを求める顧客がいましたが、当社のラボではそのような負荷バンクをレンタルしたことはありませんでしたが、ハードウェア・イン・ザ・ループに 1 つドロップして、そこでテストすることができました。
Typhoon HIL:電力ラボではシミュレートできなかった、どのような壊滅的な状況や動作シナリオをシミュレートできましたか?
プレストン：当社の製品が対応している電力系統の障害には、実験室で再現するのが非常に難しいものが数多くあります。電力系統において、電圧低下のような電圧障害の原因としては、1相が接地に短絡したり、2相導体が電力線上で互いに接触したりすることが挙げられます。あるいは、3相すべてが接地されている場合もあります。こうした状況を実験室で再現するのは困難です。しかも、実際の電力系統で発生するまで待つわけにもいきません。
そのため、Typhoon では、グリッド障害ごとに繰り返し可能なテストベンチを作成できます。
特定の地点から何マイル離れた地点で故障が発生するかを物理的に変化させることができます。また、実際のシステムではコストがかかりすぎるような方法で、継続時間と深刻度を変更することも可能です。
Typhoon HIL:御社では独自のシミュレーションプラットフォームも運用されていると伺っていますが、他のシミュレーションプラットフォームでは難しいことでHILで実現できることは何でしょうか？
プレストン：基本的に、コントローラーとその入出力について、より多くの情報を把握できるようになりました。また、コントローラーが変動やロック検知にどれほど敏感であるかを検知しながら、実際に何が起こっているかを把握できます。さらに、テストプログラムのスクリプト化によって再現性のある結果を取得し、継続的に分析することで、実際のコントローラーが接続された状態でどのように動作するかをレポートしています。
Tony:制御システムとパワーエレクトロニクスのソフトウェアのみのシミュレーションで正確なシミュレーションを実行するには、非常に小さな時間ステップが必要であり、数行分のデータでも実行に非常に長い時間がかかります。
Typhoon HIL を使用して実際のコントローラーを実行できると、高速かつ正確な結果が得られます。
Typhoon HIL: FlexGenの品質保証プロセスについてはあまり詳しくありません。ファームウェアアップデートの検証と検証にTyphoon HILをどのように活用しましたか？
プレストン： HILは主に安定性の検証と、すべてが期待通りに動作していることを確認するために使用しています。現在、新規顧客向けにTyphoonとの連携によるUL 1741 SA認証の取得を検討しています。しかし、HILは主に開発用途で使用しており、ハードウェア全体に接続した際に安全性が確保されるという確証を得ることを目的としています。
トニー： FlexGenの製品ライン全体では、年間6回ほどのメジャーソフトウェアリリースが市場に投入されています。ファームウェアのアップグレードでは、そのリリースで追加される機能だけでなく、それまでに開発したすべての機能の回帰テストも実施しています。これは、新機能の追加によって問題が発生しないようにするためです。これらはすべてHILによる検証によって行われます。
Typhoon HIL: Typhoon の Hardware-in-the-Loop テストベッドを使用する際の最大のメリットは何だと思いますか?
トニー：ハードウェアを爆破したり、機材代を全部払ったりする人がいないんです。それに、その音を聞かなくて済むのもいいですね。電源コンバーターはすごくうるさいんです。それに、ちょっと戻って、みんながちゃんと仕事をしていて、鼓膜を壊すようなこともないってことが分かるのもいいですね。
プレストン：そうですね。同様に、テストが可能なことは当社にとって大きな強みだと思います。テスト結果は、実際のハードウェアで実行した際に得られるものと非常によく似ていると確信しています。もし違っていたとしても、Typhoonで微調整することができます。実際に見たものを再現し、良好なモデルを動作させることができます。コントローラーも最適化できるので、テストで確実に動作するはずです。
プラグアンドプレイなので、システムを素早くテストし、テスト計画に追加することができました。
Typhoon HIL：皆さんに最後にお聞きしたいのですが、HILでの経験を一言で表すとしたら何ですか？
プレストン：どちらかと言うと「楽しい」ですね。子供っぽいかもしれませんが、安心してテストできるというのは、それだけで楽しいんです。
トニー：私の場合は「安堵」だと思います。
クレジット
著者| サマンサ・ブルース
ビジュアル| 台風HIL
編集者| デボラ・サント
参考文献1 ｜スペクター、ジュリアン（2018年6月22日）VistraとFlexgenがテキサス州最大のバッテリー事業をペンシルアウトに成功させた経緯。https ://www.greentechmedia.com/articles/read/how-vistra-and-flexgen-made-the-largest-battery-project-in-texas-pencil-out#gs.xzuXOxgより引用
