オーティス・マイクログリッドは軍事マイクログリッドプロジェクトのモデル
レイセオンは最先端の Typhoon HIL テクノロジーを使用して、マサチューセッツ州のオーティス空軍州兵基地向けの監視マイクログリッド制御を設計およびテストしています。
この基地は1938年に建設され、オーティス空軍基地として知られていましたが、その後、現役任務から空軍州兵基地へと移管され、サイバーセキュリティ情報および土木工学通信部隊である第102情報航空団が駐留しています。同航空団は、世界中の作戦を支援する部隊です。基地は電力供給が途絶えるリスクを負うわけにはいきません。商用電力網に何が起ころうとも、24時間365日、安全で安定した電力供給が不可欠です。
この成功事例は、エネルギーの自立とサイバーセキュリティを確保しながら、軍用マイクログリッドを再生可能エネルギーに移行させるための課題と解決策の両方を示しています。
Otis マイクログリッド コンポーネント:
- 発電：1.5MWの風力タービンと1.6MWのディーゼル発電機
- ストレージ：EcoultのUltrabattery鉛蓄電池をベースにEastPennが構築した1.6MW/1.2MWhバッテリーエネルギーストレージシステム（BESS）、
- 制御: レイセオンのインテリジェント電力およびエネルギー管理(IPEM) マイクログリッド制御システム。
このようなマイクログリッドの構築において大きな課題となるのは、システムに組み込まれたコンポーネント間の相互作用によって生じる、独自の構成による突発的な動作を予測することです。あらゆる電力システムにおいて、特に軍事システムにおいては、中断のない運用が極めて重要です。
幸運なことに、当社の発電能力の大きさと実際の負荷の大きさはほぼ一致しています。
ショーン・ドイル
元オーティスマイクログリッドプロジェクトマネージャー
レイセオン
Otis マイクログリッドは、DoD マイクログリッド開発においていくつかの重要なマイルストーンを達成しました1 :
- 国防総省（DoD）施設全体をサポートする初の風力発電マイクログリッド
- 地域の電力網へのサイバーセキュリティ接続を確保した最初の米軍施設。
- マサチューセッツ州東部とニューイングランドのISOで補助サービスを提供する最初のマイクログリッド。
- BESS を活用してあらゆる電力網から完全に独立した初のマイクログリッド。
マイクログリッドコントローラの設計とテストの課題
特に軍事用途における監視レベルのマイクログリッド制御の設計と試験においては、公益事業に関連するいくつかの重要な懸念事項があります。様々な発電要素を制御し、マイクログリッド内の需給を長期間にわたって均衡させる負荷制御を確保する必要があります。定常状態での運用を可能にするだけでなく、急激な負荷変動など、様々な動的条件下での安全な運用も必須条件です。
システムの特定の設計と設置場所に特有の過渡現象が発生した場合でも、電力の維持、品質、安定性を維持できるように設計する必要があります。例えば、この地域では、ハリケーンや冬の嵐といった特定の自然災害が頻繁に発生し、その強度も増しています。
同時に、ケープコッドの電力インフラの多くはかなり古く、そのため脆弱性が高まっています。そのため、電力供給が中断された場合に備えて、商用電力網がダウンした際にマイクログリッドが完全に独立していることを保証し、ハードウェアシステムへの損害を防ぐための対策を講じることが重要です。
文献に書かれている通りに動作したり通信したりすることは決してありません。
デイブ・アルトマン
Otis Microgridの主任研究員
レイセオン
このプロジェクトにおいて、レイセオンは電力システム内の様々なコンポーネントの突発的な動作を予測するために、独自のシステム構成におけるコンポーネントの挙動を確実に理解する必要がありました。制御テストは、マイクログリッドコントローラのテストの基準となるIEEE 2030.8規格の要件に基づいて実施されました。強力な外部協力者と協力し、推奨規格に準拠したテスト環境を構築したことが、プロジェクトの成功の基盤となりました。
市販機器の統合には更なる課題が伴います。市販機器は本質的に安全性がそれほど高くなく、安全性が求められていないからです。特に軍事用途においては、マイクログリッドとのサイバーセキュリティの高い接続を維持することが重要な要件となるため、監視制御システム自体に更なるレベルのセキュリティを組み込む必要があります。
ソリューション| C-HIL はリスクを軽減し、テスト範囲を拡大します。
国防総省はリスク回避の姿勢を強くとっており、設備投資や長期契約を含む大規模な投資を行う際には、必ずその内容を理解したいと考えています。レイセオンは、TyphoonのHIL技術を活用することで、システムのデジタルツイン内でシステム統合に関する問題を高精度にシミュレーションし、様々な分散型エネルギー資源（DER）を統合する際に生じる可能性のある挙動を予測することができました。
これにより、シミュレーション環境から得られた結果を国防総省の投資決定に役立てることができました。レイセオンはまた、電力デバイスよりもコントローラーの動作を理解することが重要であったため、C-HILがPower HIL（P-HIL）よりもはるかに適切なアプローチであることも発見しました。また、テスト実行に高価な専用設備を必要としないため、大規模システムのシミュレーションにもC-HILはより便利でした。
C-HIL への移行は、実際の電力ハードウェアを使用する代わりに大規模システムをシミュレートする機能に伴う利便性が動機でした。
デイブ・アルトマン
Otis Microgridの主任研究員
レイセオン
C-HILのテスト自動化機能により、プロジェクトの作業速度も向上しました。Typhoonチームは、シミュレートされたパワーステージと物理コントローラのインターフェースという最も困難な部分を直接支援しました。
シミュレーションとテスト自動化が適切に設定されていることを確認するのに最も多くの時間と知識が必要でしたが、完全なテストプランはわずか数日で稼働しました。その後は、テストの繰り返しや問題の修正がはるかに容易になります。
シミュレーション環境でのテストは、設定変更や様々な可能性の検討が簡単かつ迅速に行えるため、比類のない柔軟性も提供します。C-HILは、テスト中のリスクを低減すると同時に、現場でのシステム統合における問題を防止します。こうした品質保証の向上は、お客様の信頼構築につながります。
同時に、技術は時間とともに進歩し、制御システムはそれらの変更をテストする能力を備える必要があります。デジタルツインがあれば、マイクログリッドの各部分を継続的に改善し、各調整後にシステム全体の動作をリスクなしでテストできるだけでなく、物理的なマイクログリッドへの更新のアップロードもテストし、リスクを軽減できます。
C-HIL の利点は、C-HIL によって、統合作業が加速され、リスクが軽減されることです。
デイブ・アルトマン
Otis Microgridの主任研究員
レイセオン
デジタルツインを活用することで、マイクログリッドは商用電力系統がダウンした際に完全に自立運転できるよう設定され、バッテリーから発電機に電力を供給し、商用電力系統がバックアップされたことを検知するまでは、その電力系統に頼ることができます。また、サイバーセキュリティ対策が施された接続が確保されているため、基地内のハードウェアシステムへの損害は防止されます。
レイセオン社は、C-HILを用いて、監視型マイクログリッド制御アルゴリズムをリアルタイムシミュレーション環境でテストしました。これらのHILテストシナリオは、現場でのテストでは困難でした。C-HILは、様々な過渡現象や障害シナリオのテスト範囲を拡大します。
C-HIL を使用したテストシナリオの例:
- ディーゼル発電機が緊急運転モードから通常運転モードに移行し、
- BESSインバータの-800kWから800kWへの移行、
- 単独運転時の過渡現象（保護リレーのトリップ）
- 電力網からの切断、
- 系統接続モードから独立モードへの移行、
- グリッドへの共通結合点 (PCC) での障害。
安全で信頼性の高いリアルタイム テスト環境で、これらすべてのテスト シナリオやその他の多くの想定されるテスト シナリオや極端なテスト シナリオを通じて、制御によってマイクログリッドの動作安全性が確保されていることを確認することで、システムの品質を保証することができました。
クレジット
著者| デボラ・サント
ビジュアル| レイセオン
編集者| デボラ・サント
参考文献1 | Andrew Burger. Otis Microgrid、マサチューセッツ州でエネルギー史に残る偉業を成し遂げる準備がほぼ整う。Microgrid Knowledge. https://microgridknowledge.com/otis-microgrid-development/ 2018年8月22日公開。2020年9月11日アクセス。
