パワーエレクトロニクスにおけるリアルタイムシミュレータとは

スマートグリッド/マイクログリッド

リアルタイムシミュレーションとは?

リアルタイムシミュレータは、シミュレーションの一部に実コントローラ、実プラントなどを用いるシミュレーションです。

従来、シミュレーションは、想定される全ての部分をモデル化したフルデジタルシミュレーションや、実際の規模の数十分の一のミニプラントを作成するアナログシミュレータが中心でした。
コンピュータ技術の発展による、デジタル演算の高速化と高精度化に伴い、デジタルシミュレータとアナログシミュレータの、両方のメリットを取り入れた手法がリアルタイムシミュレータです。

リアルタイムシミュレータでは、モデル化された部分と実際の装置が、混在して使われます。
リアルタイムシミュレータでは、実機の挙動は実時間で模擬され、1秒で行なわれる動作は、1秒をかけてシミュレーションされます(リアルタイム)。
リアルタイムシミュレータ

リアルタイムシミュレータの歴史

リアルタイムシミュレータの歴史は、大きく分けてアナログシミュレータとデジタルシミュレータから成り立っています。

アナログシミュレータはかなり古くから使われており、今でも電力会社などでは主流になっています。リアルタイムシミュレータの進歩はコンピュータ技術の発展に常に支えられてきました。
アナログとデジタルの得意な部分を組み合わせたハイブリッドシミュレータや、スーパーコンピュー タを用いたデジタルスーパーシミュレータ、エンジニアリング専門のコンピュータを使ったデジタルカスタムシミュレータなどが使われましたが、これらはいず れも非常に高価で一部の研究部門で使われるだけでした。

2000年頃から、いわゆるパソコンと呼ばれる汎用のコンピュータが作られるようになり、 デジタルシミュレータの価格は一気に下がり、性能は従来のスーパーコンピュータに迫るようになりました。
この頃からデジタルシミュレーションの一部に実機を用いるリアルタイムシミュレータが出現してきました。
リアルタイムシミュレータの歴史

リアルタイムシミュレータの使用分野

リアルタイムシミュレータに要求される性能は、何よりもスピードと精度のバランスです。

実機と呼ばれるコントローラやプラントはそれらの性能を評価する様々な項目があります。
評価対象によって何を重要視するかが変わります。
演算の負荷の大きさによってCPUの数を増やしたり、CPUではなくFPGA上で演算を行ったりする必要があります。
スピードと精度のバランスをどのようにして実現していくかがリアルタイムシミュレータの一番大きな問題です。
リアルタイムシミュレータに求められる性能

リアルタイムシミュレータの種類

リアルタイムシミュレータで使われるモデルは大きく、コントロールモデル(制御)とフィジカルモデル(実際の装置)に分けられます。

リアルタイムシミュレータ の用途の多くは制御アルゴリズムの開発や検証、部品などの最適化、パラメータの調査、 フィジカルシステムの適合などが挙げられます。

コントロールモデルと、フィジカルモデルの両方をPC上に置くものを、フルデジタルシミュレーションと言います。
コントロールモデルをPC上に置き、(実際のコントローラの代わりをPCが行う)実機を動かすものを、RPC(Rapid Prototype Controller)と言います。
リアルタイムシミュレータでは、このタイプが最も多く市場に出ています。

RPCの逆で、実機をフィジカルモデルとしてPC上に置き、実機としてのコントローラを使用するものをHIL(Hardware In the Loop)と言います。
自動車関連では、RPC(Rapid Prototype Controller)が良く使われますが、スマートグリッド・マイクログリッドでは、実機にあたるハードウェアを自前で用意することが難しく、この HIL(Hardware In the Loop)が非常に有効です。
リアルタイムシミュレータの種類

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