Mywayプラス株式会社

 

大学の研究にてTyphoon HILを活用

回路シミュレータ(SILS)のシミュレーション時間の課題を解決

 

 

－パワーエレクトロニクス研究室のご研究内容を教えてください

和田先生：

パワーエレクトロニクス回路の応用や回路、要素技術などを幅広く扱っていています。特定分野というよりは、なるべく幅広く基礎的な技術を対象にその技術が活用できることを考えております。企業との共同研究もありますが、それ以外にも研究室のオリジナルの研究も日々行っております。

 

－大学同士の共同研究もありますか？

和田先生：

大学同士ももちろん共同研究を行っていてます。ただし、他の研究室と共同研究を行う場合には専門分野が違う先生方と一緒に研究を行うようにしてお互い役割分担をしながら研究を進めています。

 

－専門分野が違う先生はどのような分野を研究されていますか？

和田先生：

モーターや集積回路、パワーデバイスを専門とされている先生や、数値計算、生物の研究をされている先生などまったく電気と関係ない先生とも幅広くいろんな方々と共同研究をしています。

 

－研究のテーマにおいて最近のトレンドはありますか？

和田先生：

 SiCやGaNなどを使ったテーマはすごく多いと感じています。単に回路図通りに回路を作ればよいのではなく、性能を引き出すためにどうすべきかを考えることは大事だと思っています。最近は分野融合という考えで、単にパワエレの回路だけではなくてパワーデバイスや受動部品など専門外の分野の方々と組んで新しい研究分野をこれからテーマにしたいと思っています。

関口さん：

私の専門はPVの研究なので系統関係のトレンドを確認しています。その中でも最近注目されているのは、分散型電源が大量導入された際の系統全体の不安定性などをテーマとした内容が多いと思います。

 

分散型電源の大量導入に伴う慣性の不足では、分散型電源のインバータで慣性を作るグリッドフォーミングインバータの研究が多いと感じています。

 

 

インタビューに答えていただいた和田先生

”近年、学会でもHILSを使った論文は増えている”

－関口さんの研究内容を教えてください。

関口さん：

私の専門はPVの研究をしていまして、着目しているのはPVインバーターの高効率長寿命化です。太陽光発電システムの課題として挙げられるのが発電効率の観点ではPVアレイの部分影問題です。電解コンデンサの短寿命を解決するアクティブパワーデカップリング方式と制御方式を統合し、高効率長寿命を達成することが私の研究テーマとなります。

 

－Typhoon HILに限らずHILSというツールはいつ頃から知りましたか？

和田先生：

10年ほど前に海外の大学の研究室に見学に行った際、大々的にHILSを使っているのを見てパワエレ分野でも使えるものなのだと知りました。

回路シミュレータによる検証の後にいきなり実機というステップはハードルが高いと感じていましたが、HILSに手を出すというきっかけが正直ありませんでした。

 

その際に、コロナの影響で大学の研究室に３カ月以上学生が入れない期間がありました。今まで回路シミュレータによるシミュレーションを行った後に実機による実験という流れでしたが、研究室に来て実験が出来なくなり困っていました。その時に清水先生が購入したTyphoon HILがあったので、家でも出来るのではないかと考えたのがきっかけです。家では実機による実験が出来ずシミュレーションしか出来なかったため、HILSを立ち上げて時間も集中してとれるので研究に使ったほう良いと考えました。

 

その当時は関口さんが博士1年だったので、ある意味新しいことに挑戦するのに時間やタイミング的にはちょうど良かったのが今回Typhoon HILを積極的に使おうと思った経緯です。

 

－パワエレのシステム検証においてHILSというツールは有効だと考えられますか？

和田先生：

色々な研究において全てがHILSで対応できることは難しいですが、基礎的な研究や原理検証などHILSはとても有効だと思っています。また近年、学会でもHILSを使った論文は増えています。学術雑誌においてもHILSの有用性を認める方針であるとの明記している場合もあります。

 

昔はパワエレ＝実機検証という風潮がありましたが、今では「ここまではHILSの試験で十分」など、HILSを活用できる線引きについて関口さんと話しています。

 

－和田先生からもお答えいただいたのですが、関口さんの研究でTyphoon HILはどのように使っていますか？

関口さん：

アクティブパワーデカップリングの回路方式は既に色々研究が行われているので、私は制御部分を中心に研究しています。回路シミュレータでは、シミュレーションに時間がかかってしまうことが課題でした。回路側が完成しているのであれば、制御を新しく試すにはHILSで検証したほうがすぐ応答が見れるので、今ではTyphoon HILを活用しています。

 

基本的な検証をHILSで行えば、制御プログラムも実機で問題なく動作します。仮に実機で動作しなければ回路側に問題があると考えて、回路の問題のありそうな箇所をHILSで再現すればすぐに修正出来ます。スムーズに実機での実験に移行させるためにTyphoon HILを使っています。

 

－回路シミュレータから実機での検証より、HILSから実機での検証の方が良いと思いますか？

関口さん：

はい。回路シミュレータから実機よりは、HILSから実機検証の方がスムーズだと思います。シミュレーションの場合は、回路動作や制御演算がタイムステップで決まります。例えば回路シミュレータ(SILS)の場合、回路を組んで、制御もアナログ素子で組んで、シミュレーションを行いますが、アナログの演算もタイムステップで決めるので、制御プログラムをマイコンで回す際に課題がシミュレーションでは見づらいと思います。

 

マイコンは同期サンプリングだったり、制御周期の演算が分かりづらいのが、つまづくポイントだと思います。シミュレーションで検証する学生は分かっていないことが多いので最初からHILSで検証を行い、その後マイコンの勉強をさせたほうが実機に移行させたときの容易さはあると思います。シミュレーションに任せるよりかはある程度勉強したら、HILSに移行して実機に近い環境で検証を行ったほうが研究もスムーズになると思っています。

 

インタビューに答えていただいた関口さん

”HILSはリアルタイムで応答してくれるのが一番大きなメリット”

－実際にTyphoon HILをご利用する立ち上げの期間はどれくらい要しましたか？

関口さん：

Typhoon HIL自体は1週間くらいで使えるようになりました。

前提として回路シミュレーションなどに慣れているのもありますが、1週間もあれば立ち上げは十分だと思います。コントローラ側のマイコンの習得などを諸々含めてであれば1カ月から2カ月くらいあれば全体の立ち上げが終わるのかなと思います。こちらの期間にはHILSとマイコンのI/Fのつなぎ込みも含めています。

 

－Typhoon HILの立ち上げに関して困ったことはありますか？

関口さん：

自分の使うマイコンのI/Oを調べるのに時間がかかったりしましたので、そういったところでつなぎ込みは少し困りました。Typhoon HIL自体のデジタルI/OやアナログI/Oが分かりやすかったです。

 

－関口さんの中でTyphoon HILを実際に使ってみてメリットは何でしたか？

関口さん：

リアルタイムで応答してくれるのが一番大きなメリットです。PVの最大電力点追求制御(MPPT制御)の検証では長時間のシミュレーションが必要なため、半日単位のシミュレーションなどありました。ただし、半日単位のシミュレーションをやろうとすると回路シミュレーションでは莫大な時間がかかってしまいます。

 

そういった点で工数、時間という点ではHILSはメリットが非常に大きいです。リアルタイムで応答するので、検証時間の観点で検証のハードルが大きく下がりました。

 

－HILSに関してパワエレでどんな分野で活用されていくと思いますか

和田先生：

システムや電力系統に繋ぐ際にHILSを使った検証は、すごく有益になっていくと思います。今までは単に電圧、電流を検出して計算してインバータを出しましょうというのが、一般的な研究でしたが、これから情報や通信の技術がすごく広がってきているので、色んなデータを集めて計算して、「このインバータをこうしましょう」、「隣のインバータをこうしましょう」と、大規模システムの研究は広がっていくと思います。

 

リアルな計算資源、通信資源を使いながら、インバータに適用できるか、時間遅れや、通信が高速になると時々通信がこけるなど色々問題が増えてくので、そのような検証にはHILSはすごく適していると思います。

 

特にこれから電力エネルギーの有効活用は避けて通れない問題ですし、日本だけでなく欧米も行うので、HILSの役割はすごく大きいと私は思います。

 

 

 

今回インタビューにご協力いただきました東京都立大学 パワーエレクトロニクス研究室のHPは下記ロゴをクリックしてご覧ください。

　　　TMU Power Electronics Lab. ホームページ

 

 

和田先生、関口さん ありがとうございました！