太陽光発電とモデルベース開発

太陽光発電へのHILS応用事例

モデルベース開発の必要性

モデルベース開発は開発プロセスの中心にシミュレーションモデルを使う設計手法の総称です。
近年PCの性能が非常に高くなり、12コアのCPUが一台のPCに装着され、演算スピードも飛躍的に速くなり、系統関連のシミュレーションについても充分な成果を出せるようになりました。

自動車やパワーエレクトロニクスの分野では、MATLABR/Simulinkなどのモデルベース開発に適したツールの出現とあいまって、盛んに使われるようになってきています。
当社でモデルベース開発という場合は、制御モデルをMATLABR/Simulink で主に記述し、プラントモデルをSimPowerSystems等のツールを使用してモデル作成を行う開発プロセス全体をさしています。
太陽光発電の分野(特にパワーコンディショナの開発)でモデルベース開発が注目されるのは以下のような理由が挙げられていると言われています。
  1. 急激な市場拡大による人材の不足(設計スキルのキャッチアップ)
  2. 顧客数の拡大による個別的付加価値の提供(シリーズ展開)の必要性
  3. 市場変化の加速による短期での新商品リリースの必要性
これらマーケットの要望から
  1. モデルの可視化(設計の伝承)
  2. 技術検証の短時間化
  3. 設計期間の短縮
が必要になってきています。
(馬淵雅夫 オムロン梶@MatlabExpo2013 講演)

これらの要求にリアルタイムシミュレータを中心にしたRCP HILSが非常に役に立ちます。

太陽光発電でリアルタイムシミュレータが出来ること

最大のメリットは人為的なミスを回避できるというもので、各パートにおいて設計の内容が本来の要求定義に合っているかどうかを、早めに検証が出来るということです。
従来の方法では、実際に物を作るまで分からなかったことが、モデルベース開発の各部分で常に検証が出来ます。 

最も効果が現れるのはテストです。テストパターンを自動生成することも可能で、様々な条件で実際に装置を壊すようなテストもモデルベース開発では簡単に出来ます。
ただその一方で注意すべき点は、図で書くほど簡単にはいかず、経験と努力が必要となります。今まで積み重ねられてきたやり方には良いところがあり、それらが資産として受け継がれてきています。
そういった風土と新しい手法を、どのようにしてうまく調和させていくかが求められます。

太陽光発電HILSと系統

太陽光発電システムの評価で最も難しいことは系統との連携です。
現状は太陽光システムが一定の割合に制限されていますので、系統への影響は非常に限られた範囲で安全が確保されるようになっています。

しかし、将来において太陽光発電が広まっていった場合には系統との連携を考慮したシステム構築が必須の条件となります。
系統連携を考えた場合に最も問題となるのは、系統をシステムを実験の為に自社で構築することは不可能ということです。
また、実際の系統網(配電網 送電網)を使った故障(短絡 地絡等)のテストを行うことは絶対に出来ません。
系統(電力網)を含むパワーエレクトロニクスのテストや評価は数十年前から電力関係の部門では、一般的に行われており(昨今モデルベースが言われる以前から当たり前のこととして)ます。
リアルタイムシミュレータはこれら従来からあった手法を簡単に取り入れることが可能です。

太陽光発電システムにおいて、リアルタイムシミュレーションは以下の各項目に分野について非常に有効です。

  1. 系統との連携
    系統への影響・・・逆潮 無効電力発生 高潮波等
    系統からの影響・・・停電 高潮波 事故等
    町全体の導入制限に対する影響の解析
  2. 単独運転検出と相互干渉
    単独運転検出方式がメーカーごとに異なる為 それらの相互干渉の影響解析
    チョッパ・インバータで様々な方式(2レベル 3レベル ZIGZAG 等)が提案されており それらを混在したシステムの評価
  3. 電気信号変換の効率化 最適化
    変換効率を最大にするための最適な回路構成と故障モードの解析
  4. 開発期間の短縮と効率化
    モデル化(見える化)と検証・最適化期間の短縮
  5. テストの自動化
    検証条件 結果のエビデンス 効率化 高速化等

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