マイクログリッドツールボックス DER コンポーネントガイド

導入

マイクログリッドツールボックス（詳細はこちら）を初めてご利用になる方にとって、同じ分散型エネルギーリソース（DER）コンポーネントの異なるモデルの中からどれを選ぶかは、途方に暮れる経験となるかもしれません。レガシー（スイッチング、平均）モデルとジェネリックモデルとはどのようなものですか？どのコンポーネントを使用するかは、主にコントローラー/テスト対象デバイス（DUT）の種類によって決まります。表1は、 DUTを考慮した意思決定のガイドとして役立ちます。

プロジェクトに適したDERタイプの選択には、モデリングのセットアップの高速化、ドメイン固有の知識ギャップの解消、HILハードウェア使用率の削減など、様々なニーズが影響する可能性があります。プロジェクトのスコープも決定要因となります。システムレベルの制御のみをテストするのか、それともコンポーネントレベルの制御も含まれるのか？プロジェクトは純粋にシステム統合のみなのか、それとも設計/研究開発の要素も含まれるのか？表2は、上記のニーズとプロジェクトスコープに基づいて、DERコンポーネントの機能を示しています。

ほとんどのマイクログリッドアプリケーションにおいて、汎用DERコンポーネントはレガシーよりもニーズに応えます。表2に示すように、汎用DERコンポーネントは、公称値に応じて制御パラメータと回路パラメータを自動調整できます。さらに、汎用コンポーネントは、実際のDERでより一般的に求められる機能を備えています。これらは、システムレベルコントローラが、完全に統合され機能的なシステムを実現するために「期待」する機能です。例えば、電圧および周波数ドループ、ランピング、LVRT、電圧および電流保護などが挙げられます。制御工学やパワーエレクトロニクスの経験がほとんどない場合、あるいは全くない場合、あるいはゼロから学ぶ時間がない場合、自動調整機能とグリッドサポート機能は大変役立ちます。

PEコントローラー

マイクログリッドシステムの観点から見ると、コンバータコントローラは低レベル、つまりDERコンポーネントレベルの制御を表します。各半導体スイッチのゲート制御用に明示的に定義された出力を備えています。この場合、設計とテストの両方の目的で、電力段はレガシースイッチングコンポーネントを使用してモデル化する必要があります。これにより、各PWM出力は、トポロジ内の特定のスイッチに対応するHILデジタル入力ピンにマッピングされます。コントローラ設計段階にある場合、レガシースイッチングモデルを使用することで得られる付加価値は、主要なDERアプリケーション向けに事前に実装された制御サブシステムにあります。これらの制御サブシステムはライブラリから切り離し、独自のプロジェクトに合わせて自由に変更できます。レガシーコンポーネントは、コントローラゲインとコンバータ出力フィルタ値の広範なパラメータ設定を提供します。

単一のDERプラント内でコンバータコントローラを検証した後、システムレベルでテストする必要があるプロジェクトがあります。これらのテストの一部には、DUTによって制御されるDERと他の独立制御DER間の相互作用が含まれます。このような場合、平均/汎用コンポーネントを使用してこれらの独立DERをモデル化することが理にかなっています。これらのコンポーネントは動作的にはスイッチングモデルと同一ですが、表3と表4に示すように、使用するハードウェアリソースははるかに少なくなります。 「系統接続バッテリーインバータのスイッチングモデルと平均モデル」アプリケーションノートでは、スイッチングDERバッテリーモデルと平均DERバッテリーモデルの動作の同一性を示しています。

マイクログリッド/EMS/BMSコントローラー

マイクログリッドコントローラは、電圧と周波数の定常制御、および負荷／エネルギー管理を担う最上位レベルのコントローラです。パワーエレクトロニクスモデルと比較すると、マイクログリッドコントローラのダイナミクスは比較的緩やかですが、平均的な汎用DERタイプと同等の性能を発揮します。図1は、他のアプリケーションやコントローラタイプと比較して、マイクログリッドコントローラの重要な時定数について、その概要を示しています。

システムレベルの通信テスト

現実の世界では、マイクログリッドコントローラーの基本機能をテストしたら、次に通信層のテストを行う必要があります。通信遅延はコントローラー全体のパフォーマンスに影響を及ぼす可能性があります。実際のシステムでは、コントローラーに加えて、 DERMS用マルチプロトコルゲートウェイなどのネットワークデバイスも存在し、相互運用性の問題がさらに複雑化します。専用の通信UI（バッテリーESS（汎用）UIまたはディーゼル発電機（汎用）UIなど）を備えているため、汎用コンポーネントは通信テストと相互運用性問題のトラブルシューティングにおいて比類のない性能を発揮します。

DER コンポーネントとは異なり、それぞれの UI コンポーネントはロックされたサブシステムではありません。内部には、マイクログリッド コントローラーが監視するすべての出力と、DER を制御するために発行するすべての入力があります。汎用コンポーネントの開発中は、現場での操作に不可欠なすべての入出力がシミュレーションで考慮されるように特別な注意が払われました。コントローラーの Modbus マップにリストされている一部の機能が DER コンポーネントでサポートされていないことを心配することなく、通信層のマッピングに集中できます。言い換えれば、汎用コンポーネントのコンセプトは、すぐに試運転できる既製の DER ブラック ボックスを提供することで、実際のシステム統合エクスペリエンスをエミュレートします。DER ベンダーから提供された通信プロトコル マップがあり、通信プロトコルがライブラリでサポートされている限り、テストと試運転の準備はすべて整います。

ハードウェア利用率

大規模なマイクログリッドおよび電力システムモデルは、HILデバイスの利用率を高めます。大規模モデルでは、ハードウェアリソースを節約するために、平均モデル／汎用モデルを最大限に活用することが推奨されます。表3と表4は、それぞれバッテリーとディーゼル発電機のDERにおけるハードウェアリソースのトレードオフとメリットを示しています。

表4で特に重要なのは、ディーゼル発電機（汎用）モデルがディーゼル発電機コンポーネントとは異なり、FPGAマシンソルバーを使用していないことです。マシンソルバーは貴重なリソースであり、パワーエレクトロニクスベースのモーター駆動のような要求の厳しいアプリケーションのために確保しておくべきです。多くのマイクログリッドアプリケーションで使用されている原動機付き同期発電機の場合、回路ソルバーが極めて小さな時間ステップ（1µs～10µs）を必要とすることはほとんど、あるいは全くありません。したがって、汎用コンポーネントを使用すれば、システムレベルのアプリケーションで通常見られる複数の発電機を備えたモデルを、マシンソルバーのリソース消費を心配することなく簡単に構築できます。

ハードウェアリソースの節約効果をさらに検証するには、マイクログリッド導入例の1つで演習をお試しください。 「プラグアンドプレイ・マイクログリッド・ライブラリとマイクログリッド・コントローラのテスト」で説明されているサンプルモデルを実行するために必要なHILデバイスは、HIL602+が最小です。このモデルは、標準または汎用のDERコンポーネントを使用することで、HIL402で実行可能なよりコンパクトなモデルに簡単に作り直すことができます。汎用コンポーネントを使用した最適化モデルをご希望の場合は、お知らせください。

レガシーコンポーネントの使用に関する例外

プロジェクトにシステム設計要素が含まれている場合など、レガシー（平均）コンポーネントの使用が必要となるケースも依然として存在します。例えば、バッテリーとインバータを別々のコンポーネントとして統合する必要がある場合などです。この場合、DCリンク側がオープンで、あらゆるタイプのバッテリーモデルに対応できるバッテリーインバータ（平均）コンポーネントを使用する必要があります。一方、バッテリーESS（汎用）は集中モデル（バッテリー＋インバータ）であるため、AC/グリッド側のみにオープンです。これはほんの一例ですが、汎用コンポーネントで設計上の制約が生じた場合は、ロック解除されたサブシステムであるレガシーコンポーネントを代替手段として推奨します。

著者

[1] オグニェン・ガグリカ