2017年5月15日

マイクログリッドと配電網のデジタル化

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太陽光発電や風力発電、蓄電池、先進的なパワーエレクトロニクス・コンバータ、スマートリレーといった分散型発電の普及により、将来の配電網は飛躍的に動的になります。サイバー攻撃や自然災害への耐性強化には、電圧と周波数を維持しながら系統の各部を独立して運用できる分散型制御アーキテクチャが不可欠です。こうした系統がよりスマートなサイバーフィジカルシステムへと進化するにつれ、複雑なシステムへと進化し、効率的なテストツールの需要が高まっていくでしょう。HIL（Hardware in the Loop）技術は、デジタル制御システムや通信システムに変更を加えることなく、超高忠実度のリアルタイムシミュレーションでテストを行うための重要なソリューションとして台頭しています。このブログでは、パワーエレクトロニクス、風力タービン、マイクログリッドのテストにおけるHILの革新的な影響を探り、そのメリットを事例を通して示します。

導入

将来の配電網は、今日よりもはるかに動的になります。その主な推進力となるのは、太陽光や風力といった間欠性再生可能エネルギー源、蓄電池、そして高度に動的なパワーエレクトロニクス・コンバーターやスマートリレーといった技術の急速な導入によって推進される分散型発電です。さらに、サイバー攻撃や自然災害に対するレジリエンス（回復力）を考慮すると、より分散化された制御アーキテクチャ、すなわち配電網のセルラー設計が求められます。セルラー設計とは、配電網の各部分が独立したアイランドとして動作し、独自の電圧と周波数を制御すると同時に、大規模配電網の不可欠な一部としても動作できる設計です。

分散型グリッドの進化がメッシュ型かラジアル型か、交流か直流か、あるいはハイブリッドAC-DCかに関わらず、グリッドはより「スマート」になり、ますます多くのデジタル制御・通信コンポーネントとサブシステムで構成されるようになることは明らかです。まさに、グリッドは真のサイバーフィジカルシステムになりつつあります。サイバーフィジカル技術がもたらす機会によって、グリッドの複雑さは増大し、より効率的なテストツールへの需要が高まるでしょう。

将来の配電網構成のエンジニアリングとテストにかかるコストの急増を抑制するのに役立つ優れたテストツールは、サブマイクロ秒から分、さらにはより長い時間定数まで、対象となる幅広い時定数をカバーしなければなりません。重要なのは、このようなテストツールが、実際の制御および通信サブシステムのハードウェアとソフトウェアを一切変更することなくテストできることです。

パワーエレクトロニクスコンバータ用ハードウェアインザループ（HIL）

ほぼすべての分散型エネルギーリソースは、強力なデジタル制御および通信機能を備えた高度に動的なスイッチングコンバータを介して電力網に接続されています。さらに、これらのデバイスはますます高度な電力網サポート機能を備えています。例えば、ドイツのBDEW FGW TR3規格や米国のUL 1741 SA規格では、太陽光発電コンバータが電力網で動作する際に満たすべき要件が詳細に規定されています。この機能はコストが高く、テストに非常に時間がかかるため、市場投入までの期間が長くなります。これが、スマートコンバータのテストにHILツールが広く採用されている主な理由です。

コンピュータシミュレーションと比較した場合のHIL技術の主な利点は、実際の制御・通信ハードウェアとソフトウェアを、HILデバイス内でリアルタイムに動作する電力コンポーネントのモデルに接続できることです。シミュレーションでは、電力と制御の簡略化されたモデルしか検討できません。

HIL テスト.jpg — HILテクノロジーは、コントローラのハードウェアやソフトウェアを変更することなく、高度なデジタル制御・通信システムのテストを可能にします。左側が実際のシステム、右側がHILモデルです。どちらの場合もコントローラは同じであることに注意してください。

風力タービン業界の例 – 24時間365日HILテストと絶え間ないテスト

ドイツ、ケンペンに拠点を置くWoodward GmbHは、風力発電業界向け系統連系コンバータの独立系最大手メーカーです。陸上および洋上向けに15,500台以上のコンバータを納入しており、二重給電式、同期発電機、非同期発電機を系統に接続しています。

最近、Woodward GmbH は、ソフトウェア品質のコストを削減し、General Electric、Suzlon、Senvion などの顧客とのコミュニケーションを簡素化するために、複数の HIL ベースのテストキャビネットを備えた大規模なハードウェアインザループ (HIL) コントローラーテストラボを構築しました。

ウッドワード HIL ルーム.jpg — Woodward GmbH のハードウェアインザループテストベッドは、コンバータ、ジェネレータ、グリッドの 6 つの構成を独立して (自動的に) テストするための 6 つのキャビネットで構成されています。

Woodward社のHILラボでは、社内イントラネットからテストセットアップにアクセスできます。これにより、ソフトウェア開発者はオフィスからHILテストキャビネットにアクセスし、ラボや現場ではコストがかさみ、実行が困難だったテストを実行できます。さらに、Woodward社はHILの結果をラボの計測値と較正することに多大な労力を費やしており、ラボの計測値とHILテストの間に優れた一致が見られることを発見しています。

超高忠実度のリアルタイムシミュレーション HIL モデルと完全なテスト自動化により、Woodward はテスト範囲を大幅に拡大し、投資の主な目的であった品質コストを削減しました。

マイクログリッドテストのためのハードウェアインザループ

従来、マイクログリッドは、病院、データセンター、工場といった、中断が許されない産業プロセスを備えた重要な負荷に対するバックアップ電源として利用されていました。マイクログリッドは通常、発電機と配電装置を駆動する1台以上の内燃機関で構成されていました。

今日では、太陽光発電や風力発電、そして蓄電池がマイクログリッドに追加されています。その結果、マイクログリッドは慣性が低い（あるいは全くない）ため、より動的かつ複雑なシステムとなっています。保護リレー、通信ネットワーク、マイクログリッドコントローラと組み合わせることで、あらゆる動作条件下で安全かつ信頼性の高い動作を保証するには、徹底的なテストと検証が必要となる複雑な電力システムとなっています。

2017_02 マイクログリッドワークショップ v2.png — マイクログリッドテストベッドは、保護リレー、ガバナー、コンバータコントローラと通信するマイクログリッドコントローラによって制御されるマイクログリッドのリアルタイムモデルで構成されています。

MITリンカーン研究所マイクログリッドコントローラシンポジウムから学んだ教訓

マサチューセッツクリーンエネルギーセンターとMIT リンカーン研究所が主催した今年のマイクログリッド & DER コントローラシンポジウムでは、イートン、ゼネラルエレクトリック、シュバイツァーエンジニアリングラボラトリーズ、シュナイダーエレクトリックの本物の純粋な産業用マイクログリッドコントローラが注目を集めました。

彼らは、24本のバスを備えた3本のフィーダー、ディーゼル発電機1台、熱電併給天然ガス発電機1台、蓄電池、太陽光発電インバータ、そしてマイクログリッドテストベッド内で稼働する多数の負荷を制御していました。マイクログリッドコントローラは、様々な障害、日射プロファイル、負荷プロファイル、そして配電管理システム（DMS）からのマイクログリッドコントローラへの要求（有効電力／無効電力の送電、アイランドへの送電など）など、多岐にわたる外乱に対処する必要がありました。

重要な発見は、今日の技術ではマイクログリッド制御システムの設計とテストは困難（かつコスト高）であり、適切なツールなしで設計とテストを行うことは現実的ではないということです。まとめると、このタスクに最適な公式は次のとおりです。