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学生が行う再生可能エネルギー統合と送電の技術統合

ブリティッシュコロンビア大学(UBC)の事例

イントロダクション

British Columbia 大学のOkanaganキャンパスにある工学部の研究者は、常に限界に挑戦し続け、再生可能エネルギー統合のための新しいパワーエレクトロニクスコンバーターのモデリングとシミュレーションを行っています。
分散型エネルギー資源(DER)が広まると、従来の電力伝送システムは、これらから派生した電力の配送経路を決定して、配信できるように変更する必要があります。

DERは、予測不可能な大気条件(風、太陽等)に依存して、常に変動しながら再生可能電力を生成します。

その結果、送電システムには、効率的で信頼性の高い配電を確保するため、新しいグリッド制御デバイス(高速スイッチング電子コンバーターを含む)を組み込む必要があります。


再生可能エネルギー源は、風速や日照の変動に基づく、出力の周期的な変動を避けられないため、そこで得られるエネルギーの貯蔵はこれまで以上に重要です。
予測できない山と谷のある資源は、需要を満たすために注意する必要があります。

ネットワークの一部が新しいデバイスで拡張されるにつれて、再生可能エネルギーの生成、伝送、利用を可能にするエネルギー貯蔵技術と、大規模に相互接続されたAC-DC電力グリッドは、新しいフレームワークの動きを保証できるよう、柔軟で効率的、かつ高い信頼性が必要です。


「可変エネルギーソース統合の複雑さは科学を、特に私たちのモデリングとシミュレーションの仕事をとても面白くしています」
Dr. Liwei Wang, Assistant Professor, School of Engineering - UBC Okanagan


オブジェクティブ

UBC Okanagan再生可能エネルギー統合フレキシブル電力伝送研究所の、主任研究者兼助教授Liwei Wangと彼のチームは、電力システムをより適切に接続し、それらをより効率的にするための画期的な方法を発見してテストしています。

OPAL-RT TECHNOLGIESは、パワーエレクトロニクスおよびエネルギーシステムシミュレーター、HIL装置、RCP開発における世界的リーダーであり、 Dr. Wang及び彼の研究室と提携しています。

Dr. Wangはさらに、古いグリッドと新しく進化するものをつなぐ、新しいシステム内のコンポーネント設計、テスト、最適化を支援しています。より新しい再生可能エネルギー源を、既存電力伝送システムと統合します。

Dr. Wangの研究対象には、電力システムの分析、操作とシミュレーション、電気機械とドライブ、パワーエレクトロニクスコンバーターの設計、制御とトポロジー、パワー半導体のモデリングと特性評価、ユーティリティパワーエレクトロニクスアプリケーション、HVDCとFACTS、再生可能エネルギー源、および分散電源が含まれています。

この貴重な研究領域をさらに前進させているのは、彼の知識と興味の多様性です。


ソリューション


Experimental MMC setup
(the cabinet houses the MMC hardware).
電圧源を制御できるMMC(Modular Multilevel Converters)は、複数の再生可能電源が、送電システムに入ることを可能にし、複雑で徹底的なテストができます。

Dr.Wangは、テストをより速く、正確で信頼できる、ユニバーサルモデリングフレームワークを開発しています。

フレームワークは、パワーエレクトロニクスコンバーターの動的性質を、考慮に入れられるように構築されています。

その後、システム設計の検証・確認のため、シミュレーション全体を加速します。


OPAL-RT TECHNOLOGIESとDr.Wangは、互いの成果を実感し始めていおり、具体的には、次の2つの特定のフレームワークで大きな前進を遂げています。

  • HVDC(High-voltage direct current )システムに基づくMMCのAVM(average value models )を使用することにより、電力システムシミュレーション速度を大幅に高速化。
  • 最新のMMCと比較して、コンバーターの効率が高く、設置面積が小さく、システムの障害回復力が優れている、新しいハイブリッドモジュラーマルチレベルコンバーター。





OP4510
OP4510は、最新世代のIntel Xeon 4コアプロセッサと強力なザイリンクスKintex 7 FPGAを搭載し、CPUベースのリアルタイムシミュレーションとサブマイクロ秒のタイムステップパワーエレクトロニックシミュレーションの両方のシミュレーションパワーを提供します。
OP1210
OP1210ボックスは10個のサブモジュール(したがって11レベル)で構成され、公称電圧は400Vで、ハーフブリッジまたはフルブリッジトポロジーとして動作できます。
ラボ規模のMMCの定格電力は6 kWです。
システムの柔軟なセットアップにより、単極および双極ネットワーク構成の両方での研究が可能になります。




Three-phase circuit configuration of H3LC
「これらのフレームワークに基づくシミュレーションテストと、スケールダウンされたハードウェアコンバータープロトタイプにより、従来の電力伝送システムに統合される新しいコンポーネントをより適切に設計できます。」
Dr. Wang.


このコンバーターは、急速に発展する技術動向で、大きな飛躍を遂げているだけでなく、設置面積が大幅に小さく、エネルギー貯蔵要件が少なく、コンバーター効率が向上しています。


「完璧な例は、HVDC伝送用にAC側のFBSM(cascaded full-bridge submodules )を備えた、H3LC(Hybrid three-level converter)です。

開発したコンバーターは、新しい回路トポロジーと高度な制御を備えています。
複雑に聞こえるかもしれませんが、このコンバーターは、従来の送電システムと調和して、再生可能エネルギーを統合するために必要な、従来からあるパワーエレクトロニクスビルディングブロック(またはコンバーターユニットと半導体)の数を削減します”
Dr. Wang.


結果


Researchers at the School of Engineering on the Okanagan campus of the University of British Columbia

OPAL-RTは、NSERC CRDおよびNSERC DGグラントを通じて、これらのプロジェクトの開発をサポートすることを選択しました。

コンバーターの研究は、エキサイティングで励みになる開発で、最近、米国電気電子技術者協会(IEEE)により、Best Paper Awardで認められました。
第10回IEEE Annual Information Technology、Electronics、and Mobile Communication Conference(IEEE IEMCON 2019)
「私たちは再生可能エネルギー源の統合の背後にある科学を進歩させるだけでなく、世界中の新世代電力網の設計に広く使用されている、リアルタイムシミュレーションソフトウェアパッケージに組み込まれていきます」
British Columbia 大学のOkanaganキャンパス工学部などの画期的なラボの学生、研究者、教授が、ユーザーであることは OPAL-RTの喜びです。

このような大学に対するサポートは、会社の創設日である1997年の近くから、常に実施されており、関係者全員にとって有益であることが証明されています。
それは、真のwin-winの状況です。

OPAL-RTが将来のエンジニアキャリアにとって、早い段階で役立つよう、すべての人々がより改善出来るよう、使用に対する変更をサポートし、奨励します。
そして、再生可能エネルギー源が、数と種類の両方で成長し続けられるよう、UBC Okanaganの再生可能エネルギー統合の、柔軟な送電研究所から生まれたソリューションは、既存および新しい送電システムの、シームレスな統合に重要な貢献を続けます。




お問い合わせ先
株式会社 NEAT
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