系統接続型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

導入

以下のアプリケーションノートでは、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レガシーモデルの違いについて説明します。両モデルのHILデバイスリソースの利用率についても詳しく説明します。両モデルで取得した波形は、シミュレーション部分で比較します。

モデルの説明

試験対象モデルは、グリッドに接続されたバッテリーインバータ（三相電圧源コンポーネントとRLセクションで表現）と受動負荷（RLコンポーネントで表現）で構成されています。このアプリケーションノートでは、バッテリーインバータコンポーネントのスイッチングモデル（図1 ）と平均モデル（図2 ）の性能を比較します。

平均モデルとスイッチングモデルはどちらも三相デバイスを実装しています。コントローラ機能の観点から見ると、これら2つのモデルは同一です。電力段の観点から見ると、1つの重要な違いを除いてほぼ同一です。スイッチングモデルは詳細なパワーエレクトロニクス三相電圧源インバータコンポーネントを使用するのに対し、平均モデルは3つの信号制御電圧源を使用してインバータの動作をエミュレートします。

どのモデルを使用するかは、テスト対象のデバイスまたはコントローラの種類、システムレベル（マイクログリッド）のスコープ、およびHILコンピューティングリソースの可用性によって異なります。インバータ自体の制御を開発する場合など、より高い解像度が必要な場合は、スイッチングモデルが適しています。一方、分散型エネルギーリソースを備えたマイクログリッド用のコントローラを開発する場合は、通常、インバータには平均的なモデルを使用します。これは、このアプリケーションでは高度なスイッチングモデルは一般的に必要ないからです。

HIL リソースの比較を表 1に示します。

HILデバイス上でリアルタイムシミュレーションを実行するには、パワーエレクトロニクスコンバータの使用率、最大マトリックスメモリの使用率、および最大タイムスロットの使用率という、最も大きなリソース制約を考慮する必要があります。パワーエレクトロニクスコンバータの使用率は、モデルに収容できるスイッチングコンバータの数を決定します。例えば、1つの三相インバータのコンバータ重みは3であるため、1つのプロセッシングコアあたり1つの三相スイッチングコンバータのみを収容できます。最大マトリックスメモリは、受動部品と理想スイッチの数に基づいてサブ回路の最大サイズを定義します。タイムスロットの使用率は、マトリックスからのすべての計算を実行するために必要な時間を表します。この「計算に必要な時間」は、1つの回路ソルバーシミュレーションステップ内に収まる必要があります。

マトリックスメモリの使用率が100%を超える場合、タイムスロットの使用率は満杯です。この場合、モデルを正常にコンパイルするには、回路ソルバーのシミュレーションステップを増やすか、モデルをさらに最適化してマトリックスメモリの使用率を下げる必要があります。

この例では、バッテリーインバータ用のより詳細なスイッチングモデルを使用する場合、メモリの過負荷を回避するために2つの処理コアが必要になります。そのため、図3に示すように、コア結合コンポーネントを使用してモデルを2つのコアに分割する必要があります。

バッテリー インバーターの平均モデルを使用する場合、図 4に示すように、モデルのバッテリー インバーターとグリッド部分の両方を 1 つの処理コアに収めることができます。

平均モデルは、HILデバイスリソースの使用量を大幅に削減します。パワーエレクトロニクスコンバータのリソースは一切使用されず、必要なマトリックスメモリの量が削減され、タイムスロット使用率の要件がわずかに改善されます（表1を参照）。パワーエレクトロニクスコンバータのリソースを使用するスイッチングモデルとは対照的に、コンバータの平均モデルは信号処理（SP）ソースを使用します。SPソースの数は、プロセッシングコアあたり16に制限されています。

シミュレーション

このアプリケーションには、あらかじめ構築されたSCADAパネル（図5 ）が付属しています。このパネルには、実行時にシミュレーションを監視および操作するための、最も重要なユーザーインターフェース要素（ウィジェット）が用意されています。

バッテリーインバータサブパネル内のウィジェットグループは、バッテリーインバータの操作に使用されます（図5 ）。信号波形は、キャプチャ/スコープウィジェットを使用して両モデルごとに個別にキャプチャされ、信号アナライザツールにエクスポートされて信号と波形の比較に使用されます。

電圧波形Vabは、コンバータの出力において、コンバータを電力系統に接続するフィルタの前後で測定されます。スイッチングインバータモデルでは、スイッチング部品を用いて出力電圧を生成するため、測定された出力電圧はスイッチング波形（図6 、緑）となります。平均モデルでは、測定された出力電圧は、理想的な電圧源から生成された連続波形（図6 、赤）となります。

フィルタ通過後の出力電圧波形Vab1（図7 ）は、スイッチングモデルと平均モデルの両方でほぼ一致しています。拡大表示すると、スイッチングモデルの出力信号の電圧波形に小さなリップルが見られます（図8 ）。これはスイッチング半導体部品によるものです。このように、スイッチングモデルと平均バッテリーインバータモデルのどちらを使用するかを選択することにより、テスト対象の特定のユースケースのニーズに合わせてHILリソースをより適切に割り当てることができます。

テスト自動化

この例のテスト自動化はまだありません。ご協力いただける場合はお知らせください。アプリケーションノートへの署名を喜んで承ります。

要件の例

表2は、モデルをリアルタイムで実行するためのファイルの場所とハードウェア要件に関する詳細情報と、この最小限のハードウェア構成でモデルを実行した場合のHILデバイスのリソース使用率を示しています。この情報は、モデルの実行とカスタマイズを必要に応じて行う際に役立ちます。

著者

[1] クリスチャン・モナール

[2] オグニェン・ガグリカ