導入
今日、電気技術者を目指す人々は、最先端の電力「フライトシミュレータ」を用いて、パワーエレクトロニクスと電力システムを実践的に学ぶ機会に恵まれています。これらの超高忠実度リアルタイムシミュレータは、ナノ秒単位の分解能とマイクロ秒単位の積分時間ステップを備え、スマートインバータ、分散型エネルギー資源（DER）、マイクログリッド、そして電力システムを比類のない精度でエミュレートします。
これにより、ゲーム体験を広く普及させた新世代のエンジニアは、インタラクティブで没入感のある環境を求めるニーズを満たすことができます。これにより、パワーエレクトロニクスやマイクログリッドの複雑な仕組みを、容易に習得できるようになります。
18～34 歳の 57% が少なくとも週 3 回はビデオ ゲームをプレイし、67% がゲームは勝利戦略の作り方を学ぶ上で重要だと考えていることを考えると、パワー エレクトロニクスと電力システムの教育に「フライト シミュレータ」のアプローチを採用している理由がわかります。
実際、遊びながら学ぶ「フライトシミュレータ」のアプローチは、従来「古い考え方」や「保守的」と考えられてきたパワーエレクトロニクスの認識を根本的に変えつつあります。
C-HILは電力の真の「フライトシミュレータ」です
超高忠実度のリアルタイムシミュレーションを搭載したController Hardware in the Loop（C-HIL）により、学生はオフィスや暖かい教室といった快適な環境で、怪我を心配することなく、高出力で高価、そして通常は手の届かない工学上の驚異に触れ、遊ぶことができます。つまり、学生はC-HILを使ってモデルを「壊して」「ショートさせて」、理解するまで操作することができます。そして何よりも重要なのは、学生が楽しみながら作業を進められることです。
しかし、パワーエレクトロニクスを学ぶのは、いつもこんなに楽しいことばかりだったわけではありません。ほんの10年ちょっと前、私が学生だった頃は全く違っていました。何年もの間、埃っぽい教科書を頼りに次から次へと理論的な授業を受けなければなりませんでした。発電機に最も近づけたのは、水力発電所への見学でした。
それからさらに多くの授業を受け、いくつかの方程式を導き出し、修士課程の終わりが近づいた頃、100kWのインバータを初めて製作する機会を得ました。かなり早い段階で製作する機会に恵まれたのは本当に幸運で恵まれたことだと思っていますが、製作の「ライセンス」を取得するまでには何年もかかりました。
パワーエレクトロニクス用の「フライトシミュレーター」があればいいのに。
まずは遊んで、それから理論を学ぶ
幸いなことに、今日ではモデルベース設計、特にリアルタイムC-HILシミュレータのおかげで、若い学生でも数多くの実験を行うことで、システムレベルおよびコンポーネントレベルの動作を直感的に理解できるようになります。さらに、「破壊的」実験も同様に容易かつ無害に実行できます。
生徒が最初の直感を身に付けると、基礎となる概念を深く理解し、実践的な経験から得たヒントに基づいて重要な理論的概念を学び始めることができます。
業界グレードのコントローラーを構築するための4つのステップ
C-HIL「フライトシミュレーター」を装備し、ゲーム感覚で刺激を受けたパワーエレクトロニクス初心者の学生が、高性能な産業グレードのパワーエレクトロニクスコンバーターの構築に一貫して成功する例として、ノースカロライナ州立大学電気工学部の Subhashish Bhattacharya 教授が指導する卒業プロジェクトが挙げられます。
実際、ラピッド・コントロール・プロトタイピング（RCP）プラットフォームと直接インターフェースするC-HILシステムにより、学生は高出力実験室で1日も過ごすことなく、最小限の監督で新しいデジタルコントローラを構築、試作、テストすることができます。コンバータの構築は以下の4つのステップで行います。
- C-HIL でコンバーターとコントローラーをシミュレートし、さまざまな動作条件でコントローラー パラメーターを手動で調整します。
- コントローラーを RCP プラットフォームに移植し、C-HIL でテストします。
- 受け入れ基準を満たすまで、テスト スクリプトを使用して C-HIL でコントローラーをテストします。
- コントローラーを実際のパワーステージに接続します。
ステップ 1 | C-HIL でコンバータとコントローラをシミュレートする
最初のステップは、コンバータを設計し、次にオフラインシミュレータを用いて電力段とコントローラをシミュレーションすることです。しかし、高性能リアルタイムシミュレータの登場により、このステップは省略できることが多くなり、C-HILリアルタイムシミュレータでコンバータ全体（コントローラを含む）のシミュレーションから始めることができます。ライブラリから利用可能なモデルを再利用することで、モデル開発時間を大幅に短縮できます。
ステップ 2 | コントローラをラピッド コントロール プロトタイピング (RCP) プラットフォームに移植する
C-HILシミュレーションですべての動作を確認したら、コントローラを産業用コントローラまたはラピッド・コントローラ・プロトタイピング（RCP）プラットフォームに移植できます。ここからが真のテストとチューニングの始まりです。
ステップ3 | C-HILでコントローラーをテストする
あらゆる動作条件下でのコントローラーの性能を検証・検証するには、テストとテスト自動化が不可欠です。通常は、過電圧、過低電圧、過電流、過周波数、過低周波数などの単純な保護機能のテストから始めることができます。
これらのテストをプログラムした後（ほとんどの場合、Python スクリプト言語を使用）、低電圧ライドスルー、弱いグリッド、孤立化防止検出、PLL 同期の堅牢性など、より動的なテストをプログラムできます。さらに、グリッド タイ インバータを構築する場合は、グリッド認証テストも実行して、一連のテスト ケースを完了できます。
ステップ4 | コントローラーを実際のパワーステージに接続する
コントローラがすべてのテストに合格し、コントローラの動的応答が満足のいくものになった後、コントローラは最終段階、そして最もエキサイティングな設計段階、つまり実際のパワーステージを搭載した初飛行へと進む準備が整います。前段階で広範囲にわたるテストが実施されているため、この段階ではコントローラの機能をテストする必要はなく、パワーステージとインターフェースのテストと検証のみが必要です。
クレジット
著者| イヴァン・チェラノヴィッチ
ビジュアル| 台風HIL
編集者| デボラ・サント
