OPAL-RTカンファレンス Real-Time2022開催レポート

OPAL-RTの創立25周年の記念大会ともなった、OPAL-RT社が主催するリアルタイムシミュレータの国際技術交流会RT22が、2022年10月18日～21日に、カナダ・モントリオールのLe Westin Montreal ホテルを会場として開催されました。
ここ数年はコロナ禍のため、オンラインでの開催が続きましたが、今年は久々のリアル開催でリアルタイムシミュレータに関する最新の研究事例が多数報告されました。

OPAL-RT社は、BELL電話会社が設立した電話機器製造会社Northern Electric社が1913年に建設した歴史的建造物で永年事業を続けていますが、最近の事業拡大に対応して、移動とリノベーションをしています。
100年前のハイテク産業の建物で現代のハイテク企業が活動しています。

RT22で報告された、先端的なリアルタイムシミュレータ関連の各講演を紹介いたします。

エンジニアリング教育におけるリモートコントロールHardware-in-the-Loop ラボ

Author : Derk Gonschor (ドイツ：Bonn-Rhein-Sieg University of Applied Sciences)

高度なリアルタイム シミュレータを使用して、新しいマルチレベル コンバータの開発を加速

Author : Liwei Wang (カナダ：UBC Okanagan)

再生可能エネルギー源の開発と統合は、CO2排出量を削減しながらエネルギー需要を増加させ、過去数十年にわたって大きな注目を集めてきました。

電圧源変換器ベースの高電圧直流 (VSC-HVDC) 送電は、実現技術として、大規模な遠隔地の再生可能エネルギーを電力網に統合する上で重要な役割を果たします。
電力コンバーターの損失とコンバーター ステーションのフットプリントをさらに削減するために、VSC-HVDC システムは過去 20 年間で、従来の 2 レベルおよび 3 レベル コンバーターから、より高いモジュール性、高調波の低減、コンバーター効率の向上が得られるマルチレベルコンバータに移行しています。VSC-HVDC の最近の進歩により、新しいクラスのマルチレベル コンバータ トポロジ、いわゆるハイブリッド カスケード マルチレベル コンバータがもたらされました。
これは、従来の VSC の削減されたフットプリントと、MMC の低損失および削減された出力高調波を組み合わせたものです。
ハイブリッド マルチレベル コンバータは、次世代の VSC-HVDC 伝送技術に有望です。UBC Yesanagan のDr. Liwei Wangが率いる研究チームは、新しいハイブリッド マルチレベル コンバーターのトポロジー、制御、効率的なモデリング、およびリアルタイム シミュレーションに取り組んでいます。

新しいマルチレベル コンバーター トポロジーの開発と検証、および高速制御プロトタイピングは、高度なリアルタイム パワー エレクトロニクス シミュレーション ツールとコンバーター ハードウェア テストベンチに依存しています。
CPU と FPGA を組み合わせたリアルタイム電力システム/エレクトロニクス シミュレータと MMC テストベンチを含む OPAL-RT テクノロジによって提供される最先端のリアルタイム シミュレーション環境は、新しい電力コンバータの研究開発において重要な役割を果たしてきました。
このプレゼンテーションでは、Dr.Liwei Wangが、OPAL-RT の高度なリアルタイム シミュレーション ツールとハードウェア プロトタイピング プラットフォームを適用して、HVDC および FACTS アプリケーション用の新しいマルチレベル コンバーターの開発とテストを加速するチームの取り組みについて詳しく説明します。

MVDCステーションの設計とOPAL-RTシミュレーションの性能評価

Author : Tae-Hun Kim (韓国：MokPO NATIONAL UNIVERSITY)

このプレゼンテーションでは、MVDC システムのモジュラー マルチレベル コンバーター中電圧 DC (MMC-MVDC) ステーションの設計手順からパラメーター値が導出され、OPAL-RTのシステムで リアルタイム シミュレーションが実行されました。
リアルタイムのシミュレーション検証に基づいて、サブモジュールの損失をオフライン シミュレーションで分析しました。

HVDC 送電システム用モジュラー マルチレベル コンバーターの実験的評価

Author : Matias Diaz (チリ：USACH)

モジュラー マルチレベル コンバーターは、スケーラビリティ、モジュラー構成、および高品質の電力により、高電圧直流 (HVDC) 伝送などの高電力アプリケーションで広く使用されています。

産業用アプリケーションでは、何百ものパワー セルをカスケード接続して高い電力比を実現する必要があります。
ただし、現在の学術研究のほとんどは、少数のパワーセルを搭載したプロトタイプを使用して検証されています。
このホワイト ペーパーでは、OPAL-RT リアルタイム コントローラーとパワー ステージを使い、バックツーバック モジュラー マルチレベル コンバーター テストベンチのテストと起動手順を説明します。
120 個の電力セル MMC で得られた部分的な実験結果が、HVDC 動作について示されています。

マルチモーター EV パワートレインのパワー エレクトロニクス シミュレーション精度の向上

Author : Mike Denton (米国：NI)

コントローラー ハードウェア イン ループ (C-HIL) を備えた V2G 対応 DC 充電ステーションの制御設計

Author : Asal Zabetian Hosseini (カナダ：McGill Universtiy)

ここでは、Vehicle-to-Grid (V2G) 対応の DC 充電ステーションで電気自動車を使用する制御設計が提案しています。

V2G 対応の DC 急速充電ステーションでは、各電気自動車充電用の双方向 DC/DC コンバータとエネルギー貯蔵システム、および低電圧グリッドに接続する三相 2 レベル電圧源コンバータが装備されています。
この制御設計では、V2G モードの電気自動車とエネルギー貯蔵システムに電力を割り当てる際に、各 EV バッテリーのエネルギー容量、充電状態、および電流制限を使用して、グリッドからの電力を制限します。

オフライン シミュレーションと Controller-Hardware-in-Loop (C-HIL) は、検証用提案コントローラーのパフォーマンスを評価します。
C-HIL実装は、実際の産業用ハードウェア上の V2G enable-DC 充電ステーションのプライマリ コントローラの費用効果が高く、安全で、迅速な検証結果を提供します。

C-HIL では、デジタル シグナル コントローラー (DSC)、TMS320F28379D DSP コントローラーがコントローラー ハードウェアであり、リアルタイム シミュレータとなっています。
OPAL-RT OP5600 は、DC 充電ステーション モデルをリアルタイムでシミュレートします。OPAL-RT で充電ステーションをモデル化することで、危険性や安全性の問題を引き起こす可能性のある検証研究中に、電気自動車のバッテリー安全動作ゾーン違反を防ぎます。DSC とリアルタイム シミュレータは、デジタルおよびアナログ入出力を介して通信します。
DSC はデジタル出力を介して制御信号を送信し、リアルタイム シミュレータはアナログ出力を介して電圧および電流測定信号を送信します。

C-HIL のケース スタディには、3 つのケース シナリオが含まれています。
最初のケース シナリオでは、グリッド電力が制限され、シミュレーション時間中に変化する可能性がある場合の、V2G コントローラーの定常状態におけるパフォーマンスを調べます。
2 番目のケース シナリオは、特定のバッテリ状態で　EV バッテリの電流制限を変更するときのコントローラの過渡応答に焦点を当てています。
最後に、3 番目のケース シナリオでは、V2G モードから急速充電モードへの電気自動車のモード変更に対するコントローラーのパフォーマンスについて説明します。
すべてのシナリオで、オフライン シミュレーションと C-HIL の結果は一致し、提案コントローラーの堅牢で効率的なパフォーマンスを検証します。

オンボード充電器 高い PWM 分解能と AC グリッド高調波への耐性

Author : Moctar Coulibaly (フランス：Valeo - Powertrain Electrified Mobility PG )

マルチパック BMS システム用の閉ループ再構成可能な HIL 検証およびテスト システム

Author : Subhasis Behera (米国：Phoenix Motorcars )

OPAL-RT CMDE (Cell Monitoring Device Emulation) ソリューションに基づく、プログラムで再構成可能なクローズド ループ BMS ハードウェア イン ループ システムを紹介します。

従来のバッテリー管理システム HIL は、直列に接続された高価なセル エミュレーターを使用して、バッテリー パック内のモジュール/バスバーを複製します。
新しいバッテリ パック アーキテクチャを作成するためのセル エミュレータの再構成には時間がかかり、配線エラーが発生しやすくなります。
このため、各バッテリ パック アーキテクチャには通常　専用の BMS HIL システムが使用されます。セル エミュレータ ベースのアプローチのもう 1 つの制限は、スタック電圧が数百ボルトに達する可能性があることです。
このため、低電圧コンポーネントから絶縁するための追加の安全対策が必要になります。
そこで、OPAL-RT CMDE ソリューションを使用してマルチパック HIL セットアップを設計しました。
各パックには、アプリケーションに応じて 2 ～ 16 個の AFE (アナログ フロント エンド) デバイスを置くことができます。
CMDE ソリューションは、バランス抵抗機能を含むいくつかの AFE デバイスのすべての機能を提供します。2 つの RC ブランチを持つ等価回路モデルを使用して、個々のセルの閉ループの電気的動作を表します。
MATLAB Simulink でモデル化され、NI Veristand RealTime Target 用にコンパイルされています。
このモデルは、さまざまなテスト ニーズを満たすオープン ループ モデルとクローズド ループ モデルの両方で実行できます。
熱挙動も MATLAB でモデル化され、使用されたセルからのテスト データによってパラメーター化されます。
この HIL システムには 4台のプログラム可能な高電圧電源があり、パック、リンク、プリチャージ、充電ステーションの電圧をさまざまなオープンおよびクローズド ループ配置でシミュレートします。
HIL システムのその他のコンポーネントは次のとおりです。
絶縁抵抗エミュレーター 高精度シャント電流センサー エミュレーター E-Load は、コンタクター コイルを介して高電流障害をエミュレートします。

電源ハードウェアインザループ: インバーターのテスト機能の向上

Author : Uday Deshpande (米国：D&V Electronics USA )

パワー インバーターのハードウェアインザループ ベースのテストは、文献で詳述されている複数の理由により、業界での使用が増え続けています。
このプレゼンテーションでは、D&V と OPAL-RT が取り組んできた継続的な改善の結果を紹介します。

NI VeriSatndとPXIeを使った複雑なHILシステムの組み方

Author: Cyril Gambini and Vincent Carpentier (インド：Neosoft Technologies), and Bruno Cesar (カナダ：OPAL-RT)

自動運転

Author: Herve Pollart (カナダ：OPAL-RT)

Valeo 基調講演

Author: Moctar Coulibaly (Valeo)

OPAL-RTによる可変周波数変圧器のリアルタイムシミュレーション性能評価

Author: An Byeonghyeon (韓国：Mokpo National University)

マルチレベル コンバーターに適用されるモデル予測制御およびニューラル ネットワーク ツール

Author : Rodrigo Cuzmar and Gabriel Droguett (チリ：PECLAB P. Universidad Catolica de Chile )

モジュール型マルチレベル コンバータの標準的な制御戦略は、主に、デカップリングを実現するために複数の変換された基準で動作する比例積分コントローラの複数のループに基づいています。

ただし、自由度よりも可変性が高い高度に結合されたシステムに複数の SISO コントローラーを使用すると、MIMO コントローラーと比較して制御の堅牢性が低下します。
ここでは、状態の結合を考慮し、制御構造を簡素化する、モジュラー マルチレベル マトリックス コンバータ(M3C) を制御するため、順次位相シフト モデル予測制御 (sPS-MPC) を提案します。

この MPC を M3C に適用することの新規性とメリットは、M3C モデルの新しい非自明な定式化が必要であり、2 つの ac ポートに接続され、非常に特殊な動作を示すため、他のトポロジと比較して非常に特殊なダイナミクスの相違があります。
異なる動作周波数で。 提案の性能を検証するために、36 セルの M3C で実験結果が実行しました。
予測制御方式は、OPAL-RT OP4510 および OP4520 に 62 us のサンプリング時間で実装されました。
esperimental の結果によって証明されるように、sPS-MPC の定式化により、閉ループの動的応答が高速になり、入力、出力、および循環電流が効果的に追跡されます。
さらに、このPS-MPC によって管理される M3C は、固定スイッチング周波数、低高調波歪み、および電源スイッチ間の分散電力損失で動作します。
シーケンシャル フェーズ シフト MPC は DC-AC MMC にも適用されていますが、標準および MPC ベースの制御方式では、サブモジュールごとに 1 つの電圧測定を使用してコンデンサ電圧のバランスを取り、MMC 制御を実現します。
その結果、制御システムには大量のセンサーと、関連する EMI 条件下での機密データの効果的な通信が必要になり、コンバーターの信頼性とコストに影響を与えます。
これらの問題を克服するために、各 SM のコンデンサ電圧をリアルタイムで推定する分散型ニューラル ネットワーク オブザーバーが実装されました。

オブザーバーは、標準の平均モデルを使用して各 SM コンデンサーの電圧を予測します。 次に、計算の複雑さが軽減されたニューラル ネットワークによって、各予測が修正され、ノイズが除去されます。
その結果、オブザーバーはアームごとに必要な電圧センサーの数を 1 つだけに減らし、推定された SM コンデンサー電圧の高周波ノイズをフィルター処理します。
リアルタイム ニューラル ネットワークの展開は OPAL-RT コントローラーで行われ、24 セルの MMC で実験的に検証され、OP4510 シミュレーターでのスケーラビリティと計算コストも評価されました。

Maschinenfabrik Reinhausen (MR) におけるモジュラー マルチレベル コンバーターのリアルタイム シミュレーション

Author : Ibrahim Elsabrouty (ドイツ：Maschinenfabrik Rinhausen GmbH (MR) )

モジュラー マルチレベル コンバーター開発プロジェクトにおける OPAL-RT 製品を使用した Maschinenfabrik Reinhausen (MR) のユーザー ストーリー エクスペリエンス、問題の課題、および利点を共有します。 株式会社 NEAT

Opal-RT Technologies,Inc.