富士電機株式会社
パワーエレクトロニクスシステムエネルギー事業本部
電源装置開発部
梅沢和義氏、佃元博氏、木水卓也氏（左から）
導入
富士電機について
富士電機の神戸事業所は設立以来、先進的なパワーエレクトロニクス・コンバータをベースとした製品の開発・製造拠点として機能してきました。私たちは、同社の制御開発・試験チームと話をする機会に恵まれ、無停電電源装置（UPS）開発においてTyphoon HILプラットフォームがどのように活用されているのかを直接学ぶことができました。
Typhoon HIL を選んだ決め手は、超高忠実度と使いやすさでした。
佃 基博 氏
富士電機のUPS開発部門はどのような業務を行っているのでしょうか？
富士電機のチームは、商用の小型UPSシステム（1000kVA）、データセンター向けのMW規模のUPSシステム（1.5MVA）、太陽光発電用の高出力（1MVA）インバータ、燃料電池電力コンバータ（100kVA）など、無停電電源装置（UPS）製品の全範囲の開発を担当しています。
Typhoon HILについてどのように知りましたか?
数年前、当社では制御開発と制御テストのプロセス改善のため、Controller Hardware In the Loop（C-HIL）テクノロジーの導入を社内で決定しました。初期調査の結果、HIL製品を提供している5社を見つけ、カタログを閲覧し、仕様と性能を徹底的に調査しました。最終的に、Typhoon HILソリューションを選択しました。HILの仕様が他のソリューションよりも優れていただけでなく、Typhoon HILはソフトウェア、ハードウェア、エンジニアリングサービスを含む包括的なソリューションを提供していたからです。
オフライン シミュレーターとラボ テストのみを使用すると、製品開発が大幅に遅れると感じました。
佃 基博 氏
課題
HIL 以前の設計およびテストのプロセスについて教えてください。
制御開発とテストに C-HIL を採用する前は、次の 3 つの方法に大きく依存していました。
- オフラインシミュレーション。
- 「オープンループ」HILシミュレーション。
- 高出力の実験室テスト。
コントローラの初期テスト（早期V&V）のためのオフラインシミュレーションは、実際の制御ファームウェア／ハードウェアの低忠実度モデル抽象化を使用するため、非常に制限があります。さらに、シミュレーションは一般的に非常に遅く、時間がかかります。オフラインシミュレーションに加えて、私たちは信号発生器をテスト対象の制御ボードへの刺激として用いることでコントローラのデバッグを行いました。これを「オープンループ」HIL（早期V&V）と呼んでいます。このアプローチは、コンバータの電力段モデルをコントローラで「クローズドループ」でシミュレーションできなかったため、大きな制限がありました。
コントローラテスト（後期V&V）の最終段階として、電力コンバータの設計と準備が完了したら、高出力試験室でソフトウェアのデバッグを行います。実際の高出力試験中に障害を注入することは、コストと危険を伴い、潜在的に壊滅的な結果をもたらす可能性がありました。そのため、実際の電力ステージで良好なテストカバレッジを達成することは非常に困難で、コストも高額でした。また、複数のUPSシステムの並列動作をテストする場合、電力要件が増大し、特殊な負荷や追加人員が必要になるため、コストと時間要件がさらに増大します。
解決
Typhoon HILを導入する決め手は何でしょうか？
私たちにとって重要な要素は、HILの忠実度と全体的なパフォーマンスでした。Typhoonを他のHILメーカーと比較する際には、パフォーマンスに重点を置きました。制御性能の検証や高速保護機能の検証など、高精度なシミュレーション結果を得るには、250ナノ秒以下のリアルタイムシミュレーションステップが必要でした。当社（富士電機）のコントローラの中には、3マイクロ秒の分解能でサンプリングするものがあり、シミュレータの速度がそれよりも遅いとテスト結果は役に立ちません。
どのようなタイプの電力コンバータモデルを構築していますか?
現在、新しいUPS電力コンバータモデル（単一コンバータおよび並列構成）を構築しています。並列UPSシステムのシミュレーションでは、Typhoon HIL604を3台並列接続することで、シミュレーション能力をさらに向上させています。UPS側の故障注入と系統側の短絡事象に対応したモデルも準備中です。
HIL テストの最大のメリットは何ですか?
C-HILテストベッドにより、コントローラーの挙動を迅速に確認できるようになり、新しい制御ソフトウェア機能の開発とデバッグが非常に容易になりました。さらに、高出力ラボでは再現が難しいケースでも動作検証が可能になり、時間とコストを削減できます。
C-HIL セットアップの結果をパワー ラボまたはフィールド テストの結果と比較して、完全に一致する場合、それは魔法のように感じられることがよくあります。
結果
HIL はリソースとテスト計画にどのような影響を与えましたか?
高電圧・高電力を必要とする高出力試験を実施する場合、試験室の安全基準に基づき、各試験に少なくとも2名以上の人員が必要です。さらに、試験の準備、機器の配置、コンバータの起動、そして試験室におけるあらゆる安全対策の準備には、2名で約1週間かかります。Typhoon HILテストベッドを使えば、オフィスやデスクで、昼夜を問わずいつでも簡単にシミュレーションを開始し、テストを実行できます。HILスケマティックエディタでモデルを作成すれば、コンバータの使用日時や製品テストの予約といった試験スケジュールを立てる必要はありません。試験と検証の柔軟性と効率性が大幅に向上します。これはまさに画期的な機能です。
これにより、高出力ラボでは再現が難しいケースでも動作を迅速に検証できるようになり、時間とコストを削減できます。
佃 基博 氏
Typhoon HIL の今後の計画は何ですか?
ソフトウェアの検証と妥当性確認（V&V）におけるHILの活用を拡大し続けています。Typhoon Testの導入を開始し、ソフトウェア回帰テストのための夜間自動テストランの導入を計画しています。短期的な目標は、少なくとも1,000件のテストケースを達成し、制御ソフトウェア開発において、日次テスト、週次テスト、そしてフルリリーステストのスケジュールを含む継続的インテグレーション（CI）プロセスを導入することです。
クレジット
インタビュアーl 杉山勇
翻訳者| イヴァン・チェラノヴィッチ
ビジュアル| 富士電機、台風HIL
編集者| デボラ・サント
