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

導入

マイクログリッドツールボックス（詳細はこちら）は、システムレベルのモデリングとリアルタイムのマイクログリッドコントローラ（MC）テストに簡単に使用できる、現実的なコンポーネントレベルの構成要素を提供するように設計されています。コンバータベースのライブラリコンポーネントには、スイッチングと平均の2種類があります。スイッチングは、PWM出力とのインターフェースをとるために詳細なパワーエレクトロニクスモデルを必要とする実際のコンバータコントローラのシステムレベルのテストに強く推奨されます。平均モデルは、パラメーター化とダイナミクスの点でスイッチングモデルの動作の双子ですが、計算リソースを大幅に少なくて済むため、PWMインターフェースが不要な状況ではより適切な選択となります。この例では、共通結合点（PCC）での正味電力潮流を観察し、異なる分散型エネルギーリソース（DER）でグリッド形成モードを開始することにより、MCとマイクログリッドの孤立状況を処理するその能力を示します。2つの別々のケースでは、バッテリーインバータとディーゼル発電機（DG）をグリッド追従モードからグリッド形成モードに切り替えて、動的応答を比較します。

モデルの説明

マイクログリッドモデル（図1 ）は、4つのDER（エネルギー貯蔵システム（ESS）、風力発電所、太陽光発電所、ディーゼル発電機（DG））と3種類の負荷（定常負荷、遮断可能負荷、可変負荷）で構成され、すべて同じ共通結合点（PCC）に接続されています。遮断可能負荷を除くすべてのコンポーネントはプラグアンドプレイで、マイクログリッドライブラリから直接導入できます。各DERには、独自の12.5 kV/480 V変圧器があります。ESSサブシステム（バッテリーインバータとバッテリーで構成）、風力発電所、太陽光発電所はすべてコンバータベースです。

このモデルは、マイクログリッドシステム環境において、PWM出力を備えた1つ以上の実際のコンバータコントローラをテストするように設計されています。そのため、各コンポーネントのスイッチングモデルが使用されます。デフォルトでは、マイクログリッドコンポーネントは、バッテリーインバータスイッチングモデル（図2 ）内に示すように、SPモデル化された制御ループを備えたHIL内部変調器を使用します。ライブラリからコンポーネントのリンクを解除すると、内部制御を削除し、実際の外部コントローラに置き換えることができます。

この例の各DERには、内部的にモデル化されたコンバータコントローラに加えて、図3に示すように、マイクログリッドコンポーネントとMCを接続するための追加の「インターフェース」サブシステムがあります。この例では、インターフェースは汎用の信号処理（SP）コンポーネントのみを使用しているため、HILデバイスと仮想HILの両方でシミュレーションできます。実際のHILベースのシステム統合アプローチでは、インターフェースを業界標準の通信プロトコルコンポーネント（CAN、Modbus、IEC61850、および通信ライブラリのその他のプロトコル）のいずれかに置き換えることができます。

MCはマイクログリッドの頭脳です。DERユニットを監視し、それらにコマンドを発行するとともに、マイクログリッド運用者が要求する運転モードや系統障害に応じて、同期リレーにマイクログリッドを主系統に接続または切断するよう指示します。MCはまた、PCCを介した電力潮流制御も行います。系統を形成するDERに電力指令値を送信することで、PCCを流れる有効電力と無効電力をゼロにすることができ、スムーズな意図的な単独運転が可能になります。

すべてのDERは、MCからのDER制御信号によって起動できますが、ESSとDGのみが追加の入出力を備えています。ESSとDGは間欠的なエネルギー源に依存しない唯一のDERであるため、MCはこれらを系統形成電源として選択的に起動することができます。これらのDERはMCに電力に関する情報を提供し、MCから電力指令を受け取ります。

MCは信号処理コンポーネント（図4 ）を用いて完全に実装されています。MCロジックの中核を成すのは、 C言語の関数コンポーネントを用いて実装されたステートマシン（SM1およびSM2）です。これらのステートマシンは、PIコントローラ、信号ルーティング、およびレート遷移コンポーネントのサポートを受けて、PCC遮断器と系統形成DERにコマンドを発行します。

HILデバイスを使用する場合、MCのコンパイル済みCコードはHILのARMリアルタイムプロセッサ上で実行されるため、HILデバイスをMCのラピッドコントロールプロトタイピングに使用できます。このセットアップでは、HILはアナログ/デジタルI/Oと通信プロトコルを介して、実際のDERおよび負荷（またはラボエミュレータ）に対する監視デバイスとして機能します。

PCCモニタはPCCを介した電力潮流を監視し、主ブレーカの状態をMCに通知します。ブレーカ状態信号は、MCがDERを制御して電力潮流制御を開始するためのトリガーとして機能します。このメカニズムにより、PCCモニタは同期保護および制御、過電圧/不足電圧保護、および過周波数/不足周波数保護を実行できます。PCCモニタの実装を図5に示します。

シミュレーション

このアプリケーションには、図6に示すような、あらかじめ構築されたSCADAパネルが付属しています。シミュレーション実行時の監視や操作に必要な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）が提供されており、ニーズに合わせてさらにカスタマイズできます。

最初のシナリオは、すべてのDERユニットが有効化され、メイングリッドに接続されている場合です。この構成では、DERユニットは系統連系モードで動作します。マイクログリッド運用者は、動作モードを「系統連系」から「単独運転」に変更するコマンドを発行することで、マイクログリッドの状態を変更できます。これにより、意図的な単独運転が設定されます。マイクログリッド運用者は、どの系統連系対応DERユニットをメインユニットとするかを決定できます。まず、バッテリーインバータが選択されます。

マイクログリッドオペレータは、SCADAパネル（図7 ）の「MC」ウィジェットグループを使用して、MCにコマンドを発行し、その応答を観察できます。 このインターフェイスを通じて、メインのマイクログリッドDERを選択し、マイクログリッドの動作モードを選択できます。 有効/無効電力オフセットグラフは、PCCを通るネットゼロフローを達成するために、グリッド形成DERによって供給または吸収される必要がある有効電力と無効電力に関する情報を提供します。図8の最初のグラフは、PCC電力フローをゼロにしてコンタクタを開くプロセス中のバッテリーインバータの電圧と電流を示しています。 2番目のグラフは有効電力と無効電力のオフセットを示し、3番目のビューポートはPCCコンタクタの状態を示しています。 また、図7に示すオフセット特性は、オペレータに意図的な孤立に対するESSの動的応答のアイデアを提供します。

同様の意図的単独運転実験は、DGをメインのDERユニットとして使用して実施できます。図9は、MCからDGに送信された有効電力/無効電力オフセットコマンドを示しています。DGの慣性と異なるダイナミクスにより、応答はバッテリーに比べて遅くなります。

「系統に障害を発生させる」マクロボタンを押すことで、オペレータは意図しない単独運転をシミュレートできます。PCCモニタはコンタクタを開き、MCに通知します。MCは系統形成型DERにシステムが単独運転になったことを知らせます。マイクログリッドオペレータが選択したDERユニットは、意図的な単独運転時にのみ発生するオフセットシーケンスなしで、系統形成モードに切り替わります。このアプリケーションには、TyphoonTest IDEスクリプトサンプル（パスは下表に記載）も含まれており、独自のMCテスト自動化を開発するための出発点として使用できます。

テスト自動化

提供されているテスト自動化スクリプトは、グリッド障害発生後のマイクログリッドサンプルモデルのグリッド形成（または意図的なアイランド化）モードへの移行を実証します。最初のテストケース（図11の上グラフ）は、エネルギー貯蔵システムがグリッドを形成している際のPCC有効電力オフセットを示しており、もう1つのケースは、ディーゼル発電機がグリッド形成モードにある際のパフォーマンスを示しています（図11の下グラフ）。このテストはHIL6シリーズデバイスを使用して実行する必要があり、構成2で最も良好なパフォーマンスを発揮します。

要件の例

表1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] オグニェン・ガグリカ

[2] シミサ・シミッチ