マイクログリッド制御の設計、テスト、試運転を簡素化

導入

マイクログリッドは発電機と同じくらい古くから存在しています。実際、高度に集中化された電力網が構築される以前から、電気は小規模なマイクログリッドで発電、配電、そして使用されていました。

興味深いことに、これらの最初のマイクログリッドは DC マイクログリッドでした。

これらは、電気の発電、配電、消費を永久に変えた多相交流（AC）をテスラが導入する前に、ニューヨーク市でトーマス・エジソンによって建造されました。

今日のマイクログリッドは大きく異なります。持続可能で再生可能な発電を求める社会の要請、より柔軟で多用途で回復力のある電力システムへのニーズ、そしてパワーエレクトロニクスコンバータによる電力フローの効率的な制御能力が、マイクログリッドの原動力となっています。

マイクログリッドには主に 3 つの種類があります。

1. 顧客マイクログリッド（私たち全員が「標準的な」マイクログリッドと考えているもの）
2. ユーティリティ配電マイクログリッド;
3. 遠隔地のマイクログリッド。

顧客マイクログリッドは、共通結合点 (PCC) の下流のグリッドに接続された自己制御サブシステムである真のマイクログリッドです。

公益事業体配電マイクログリッドは、規制対象グリッドの一部である配電サブシステムであり、公益事業体による DER ポートフォリオの管理とネットワークの信頼性の向上を支援することを目的として、公益事業体によって所有および運営されています。

遠隔マイクログリッド（電力システム）は、グリッド接続モードで動作しない独立した電力システムです。

ここでは、独立モードとグリッド接続モードの両方で動作できるグリッド接続マイクログリッドに焦点を当てます。

マイクログリッド制御要件

マイクログリッドは、動的制御や安定化など、大規模グリッドのすべての機能を提供する必要があるにもかかわらず、はるかにシンプルな制御インフラストラクチャ、より少ない数の発電機、および大幅に小さいシステム慣性で提供される必要があるため、複雑なシステムです。

現代のマイクログリッドのダイナミクスは、マイクロ秒から秒、そして分や時間に至るまで、時定数の範囲にわたります。電力系統には、系統制御と安定化のために利用できるリソースがはるかに豊富に揃っていますが、マイクログリッドは、はるかに少ないエネルギーリソースで、多くの場合、間欠電源（PV、風力など）を大量に導入することで、同等の電力品質を実現することが期待されています。

これが、マイクログリッドの制御と安定化が複雑である理由です。

マイクログリッドは、次の6 つの主要機能のサブセットを提供することが期待されています。

• 周波数と電圧の調整
• 回転予備力
• スタンドアロン操作
• 系統接続モードから独立モードへのシームレスな移行
• ピークシェービング
• 荷物の移動

これら 6 つの機能はすべて、マイクログリッド コントローラによって有効になります。

マイクログリッドコントローラのアーキテクチャ

マイクログリッド コントローラは、制御対象となる基盤となるマイクログリッドの性質により、時間的にも空間的にも分散されています。

マイクログリッド コントローラの時間的分布は、前のグラフに示されているように、マイクログリッド コントローラがミリ秒から数秒の範囲 (電圧と周波数の制御) から分や時間 (負荷シフトとディスパッチ) に及ぶシステム ダイナミクスを制御するという事実から生まれます。

マイクログリッド コントローラの空間分散は、ほとんどのマイクログリッド デバイス (定義上は分散型) にはデバイス上に低レベルのコントローラ (高速) があり、高レベルのコントローラ (低速) は集中型、分散型、またはその 2 つのハイブリッドのいずれかであるという事実から生じます。

中央マイクログリッドコントローラトポロジでは、1台のマスターコントローラがマイクログリッドデバイスと直接通信し、すべてのデバイスの制御と調整を担います。中央制御の問題点は単一障害点の存在ですが、コントローラを二重化することでこの問題を軽減できます。

分散制御アーキテクチャとは、制御タスクが複数のコントローラで実行されることを意味し、制御および通信障害に対する堅牢性を本質的に備えています。このアプローチは柔軟性とフォールトトレランスの向上をもたらしますが、制御設計が複雑になり、テストと検証も複雑になるという代償を伴います。

実際のマイクログリッドでは集中型コントローラが依然として主流ですが、分散型制御の例も増えてきており、分散型制御に関する研究が大きく注目されています。

プライマリコントローラー

マイクログリッドはさまざまなデバイスで構成されており、その一部には独自のコントローラーと通信リンクがあり、一部は完全に受動的なデバイスです。

例:

• 太陽光発電機
• 燃料電池
• 発電機
• バッテリーストレージ
• フライホイール
• 風力発電機
• 水力発電機
• 保護リレー
• アクティブフィルター
• 負荷

個々のデバイス コントローラーは標準のグリッド コードと品質基準を満たすように製造元によってテストされていますが、これは、デバイスがマイクログリッドに統合された後、他のデバイスと必ずしもうまく連携することを保証するものではありません。

特に、マイクログリッドは通常、電力品質管理がはるかに弱く、脆弱な系統とみなされる可能性があることを考慮すると、脆弱なマイクログリッドに接続された複数の太陽光発電インバータが相互に干渉し、故障状態を引き起こすことはよくある問題です。これらのインバータは、強力な系統に接続されていれば正常に動作します。

多くの商用プロジェクトでは、既存の配電（サブシステム）システムをマイクログリッドコントローラ、保護リレー、再生可能エネルギー発電とエネルギー貯蔵を連携させてアップグレードすることでマイクログリッドが構築されます。これらのマイクログリッドでは、コンポーネントの相互運用性が欠如しているため、信頼性の高い制御と調整が課題となります。

現在、相互運用性の問題のほとんどは、単一のベンダーによって設計、構築、運用された同種のマイクログリッドを導入することで回避（解決）されています。

機器やコントローラが異なるメーカーから調達される、より異機種混在型のマイクログリッドへと移行するにつれ、標準化されたテストプロセス、新しいテスト機器、新しい標準、そして新しいテスト自動化手法を用いて、相互運用性の問題に対処する必要が出てきます。実際、設計に含まれるすべての新しいデバイスは、既存のマイクログリッドコンポーネントと互換性を持つ必要があります。

マイクログリッドコントローラのテストと検証方法

マイクログリッド コントローラ、スマート インバータ、分散型エネルギー リソース、または完全なシステムを開発する場合でも、ソフトウェア、ファームウェア、通信機能を含むマイクログリッド コントローラは、広範囲にテストおよび検証する必要があります。

これには、マイクログリッドの各コンポーネント（PVインバータ、バッテリーインバータなど）を個別にテストし、様々な資産／サブシステムのグループ（例：重要な負荷グループを含むディーゼル発電機）、そして最終的にシステム全体をテストする必要があります。確かに、これは膨大な量のテストであり、多くの時間と費用がかかるため、可能な限り効率的な方法でテストを行う必要があります。

現在、最も広く採用されているアプローチは、構築と試運転中にシステムの構築とテストに直接取り組むか、マイクログリッド テスト ラボを使用してテストすることです。

電力ラボは実に素晴らしいエンジニアリングの成果ですが、高電力および高電圧のマイクログリッド テスト ベッドを使用してマイクログリッド コントローラのファームウェアとソフトウェアをテストすることは、コストがかかるだけでなく、テスト範囲が限られているため柔軟性に欠けるテスト方法でもあります。

ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）シミュレーション（コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）と呼ばれることもあります）は、電力業界にとって新しいテスト手法です。このテスト手法は自動車業界や航空宇宙業界では数十年前から使用されており、コントローラのテストにおいて不可欠な役割を果たしてきました。

パワーエレクトロニクスとマイクログリッドの場合、これは電力段を超高忠実度でシミュレーションし、実際のコントローラをリアルタイムシミュレーションのループ内で使用することを含みます。言い換えれば、HILマイクログリッドテストベッドは実際のマイクログリッドと同一の制御システムを備えており、電力ハードウェアのみが超高忠実度でエミュレートされます。

ハードウェア・イン・ザ・ループ マイクログリッド テストでは次のことが可能になります。

• 24時間365日、監督なしのコントローラーテスト。
• 自動テスト。
• 繰り返し可能なテスト条件。
• 認定されたラボのテスト条件の社内複製。
• 自動テストレポート。
• ハードウェア抽象化による統一されたテスト手順
• 継続的インテグレーション（CI）テストの実践
• テストポイントあたりのコストが桁違いに低くなります。

マイクログリッドコントローラのテストに関する既存の標準規格は存在しませんが、開発初期段階からハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレーションツールを用いてコントローラをテストすることの重要性は、いくら強調してもしすぎることはありません。制御系が徹底的にテストされた後、ハードウェアテストと最終的なシステムテストにおいて、電力テストは同様に不可欠です。

マイクログリッドコントローラ標準

米国にはマイクログリッド制御、相互運用性、マイクログリッド制御テストを網羅する既存の標準規格はありませんが、マイクログリッド コントローラ専用の IEEE2030.7 と IEEE2030.8 という 2 つの IEEE ワーキング グループが開発を行っています。

P2030.7は、「マイクログリッドコントローラの仕様に関する標準」となることを目的としています。IEEEによれば、

マイクログリッドエネルギー管理システム（MEMS）の標準規格を策定する目的は、MEMSの動作に必要な様々なコントローラーとコンポーネントを、プラットフォームに依存しない統合インターフェースを通じて相互運用可能にすることです。このアプローチにより、「プラグアンドプレイ」を犠牲にしたり、潜在的な機能を制限することなく、コンポーネントと制御アルゴリズムの柔軟性とカスタマイズ性を実現できます。

P2030.8は「マイクログリッドコントローラの試験のための規格」となることを目指しています。IEEEによれば、

「マイクログリッドコントローラのテスト標準を確立する理由は、プラットフォームに依存しない統合インターフェースを通じてコントローラを操作するために必要なさまざまなコントローラとコンポーネントの相互運用性を実現するという文脈において、標準化されたテスト手順を確立するためです。」

マイクログリッドコントローラと試験が規格（例えば、UL1741またはBDEW TR3に準拠した太陽光発電インバータなど）でカバーされる前に、私たちはコミュニティとして「事実上の」標準と試験手順を開発し、適用する必要があります。基本的な試験要件が標準化された後、私たちはテストケースとプロセスを継続的に拡張していきます。

高度な機能を備えた先進的なマイクログリッドを実現するための中心的なツールとなるのは、HIL（ハードウェア・イン・ザ・ループ）です。さらに、HILは、実環境における信頼性の高い設計を展開しながら、実験、学習、そして迅速な設計進化を可能にします。

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