リアルタイムシミュレータを用いたDCマイクログリッドの階層制御に関する実験的検討

サマリー

この記事では、シミュレータであるOPAL RT-Labに実装された階層制御を備えたDCマイクログリッドを紹介します。回路モデリング、一次および二次制御戦略、および実験的検証について詳しく説明します。この結果は、効果的な制御性能を実証しており、マイクログリッドの研究開発のための堅牢な実験プラットフォームの重要性を浮き彫りにしています。

要約

再生可能エネルギー源の台頭により、マイクログリッド、特に太陽光発電パネル、バッテリー貯蔵システム、その他のDC負荷ソリューションの統合に適したDCバリアントの重要性が浮き彫りになりました。本稿では、OPAL RT-Labシミュレータに実装された階層制御型DCマイクログリッドの開発と実験について紹介します。マイクログリッドには、電力変換器、DCバス、およびDC負荷を介して相互接続された分散型エネルギーリソース(DER)が含まれます。プライマリ制御は、ドループ制御メカニズムとダブルループ比例積分(PI)制御を採用して電圧と電流を調整し、安定した動作と比例した電力共有を保証します。2次制御は、コンセンサスベースの戦略を利用してDERを調整し、バス電圧を回復し、正確な電力共有を確保し、システムの信頼性と効率を向上させます。このホワイトペーパーで詳しく説明する実験セットアップには、回路モデリング、ハードウェアの実装、および制御戦略が含まれます。ハードウェア・プラットフォームの回路とコントローラのパラメータが指定されており、その結果はオシロスコープの測定を通じて観察できます。制御戦略の有効性を検証するために、遅延ありと遅延なしの二次制御応答を実証する2セットの実験が実施されます。その結果は、マイクログリッドにおける階層制御の成功裏の実装を裏付けています。この研究は、マイクログリッド技術を進歩させるための包括的な実験プラットフォームの重要性を強調し、将来の研究開発に貴重な洞察を提供します。

概要

再生可能エネルギー源の急速な発展に伴い、マイクログリッドは世界的に大きな注目を集めています¹。太陽光発電(PV)などの分散型エネルギー資源(DER)とエネルギー貯蔵システム(ESS)をグリッドに統合することで、持続可能で再生可能エネルギーへの移行をサポートします。再生可能エネルギーの統合における重要な要素として、DCマイクログリッドは、PVシステム、バッテリー、およびその他のDERの固有のDC特性との互換性により、かなりの注目を集めています。DC動作により、複数のエネルギー変換の必要性が減り、システム全体の効率と信頼性を向上させることができます。その結果、DCマイクログリッドは、再生可能エネルギーの統合を最適化するための有望な手段を提供します²。

マイクログリッド技術を進歩させるためには、シミュレーションと実験的研究が重要であることは広く認識されています。シミュレーションにより、研究者やエンジニアは、仮想環境でさまざまなシナリオや制御戦略をモデル化および分析でき、費用対効果が高く、リスクがありません。しかし、実世界での実験は、これらのモデルや理論を検証し、シミュレーションでは^{十分に捉えられない}可能性のある実際的な課題や動的な振る舞いを明らかにするため、同様に重要です3。シミュレーションから得られた知見にもかかわらず、物理的な実装から生じる問題に対処するためには、マイクログリッドでの実践的な実験が必要です。これらの実験は、実世界の設定における動作特性、制御ダイナミクス、および異なるコンポーネント間の相互作用を理解するのに役立ちます⁴。マイクログリッドは、その小規模でモジュール化された性質により、従来の大規模電力網と比較して、これらの重要な実験的研究を実施するためのより管理しやすくスケーラブルなソリューションを提供します。したがって、マイクログリッド上での物理実験を行うことは、この分野での理解と能力を向上させるために不可欠です。

一般的なDCマイクログリッドでは、さまざまなDERが電力変換器を介してDCバスに接続されています。このセットアップにより、複数のDC-DCまたはAC-DC変換を必要とせずに、電力の直接交換が容易になります⁵。これらの電力変換器は電圧と電流を調整し、効率的な電力伝送と安定性を確保します。DCバスは中央ノードとして機能し、システムに接続されたさまざまな負荷に電力を分配します。送電線は、DER、コンバータ、および負荷間の電力の流れに必要な経路を提供し、マイクログリッド内で安定した信頼性の高い電力供給を維持します。DCマイクログリッドの運用を効果的に管理するために、階層的な制御構造がしばしば採用されます⁶。この構造は、一般に、一次制御、二次制御、三次制御の 3 つのレベルに分けられ、それぞれに異なる機能と責任があります。

一次制御は、DCマイクログリッド内の電圧と電流の即時調整に焦点を当て、DER間の安定性と適切な電流/電力共有を確保します。最も一般的なプライマリ コントロールは、ドループ コントロールです。他の主要なコントロールと比較して、通信がなく、応答が高速です。ただし、そのドループ特性により、ドループ制御は電圧偏差を引き起こし、電圧を公称値に維持できない場合があります。同時に、負荷とDERの数が増えると、電流分担の精度が低下します。したがって、電圧の回復と電流調整には、追加の二次制御が必要です。セカンダリ制御は、障害発生後にシステムの動作点を復元し、電圧および電流調整のためにプライマリコントローラを調整します。三次制御は、マイクログリッドの経済的および戦略的な運用を最適化し、エネルギースケジューリングと主電力網との相互作用を管理します⁷。

最近の文献では、DCマイクログリッドの階層制御の適用における大幅な進歩が強調されており、シミュレーション研究からHIL(Hardware-in-the-Loop)セットアップ、そして最終的には実世界の物理実験へと進歩しています。初期の調査研究では、DCマイクログリッドの階層制御アルゴリズムを開発およびテストするために、シミュレーションツールがよく採用されていました。これらの研究は、マイクログリッドの動的挙動のモデル化、制御戦略の最適化、およびさまざまな条件下でのシステムパフォーマンスの評価に焦点を当てています。MATLAB/SimulinkやPSCADなどのシミュレーション環境は、その柔軟性と電力^{システム解析のための}包括的なツールセットにより、一般的に使用されています8。HILの実験は、純粋なシミュレーションにとどまらず、リアルタイム制御ハードウェアをシミュレートされたマイクログリッドモデルと統合することで、より現実的なテスト環境を提供します。このアプローチにより、研究者は制御アルゴリズムを検証し、ほぼ実際の条件下でその性能を評価できます。HILセットアップは、理論的な研究と実際の実装との間のギャップを埋め、制御システムとマイクロ^{グリッドコンポーネント9}の間の相互作用に関する貴重な洞察を提供します。階層制御戦略の最終的な検証は、実際のマイクログリッド設定での物理実験を通じて達成されます。これらの実験では、DER、パワーエレクトロニクスコンバータ、制御ユニットなどの実際のマイクログリッドハードウェアに制御アルゴリズムを展開します。物理実験では、システムパフォーマンスを最も正確に評価し、シミュレーションやHILセットアップでは明らかにならない可能性のある実際的な課題や運用上の問題を明らかにします。

DCマイクログリッドにおける階層制御研究の進展を要約するために、 表1 は、実験的アプローチによって分類された主要な研究の概要を示しています。前述の文献から、一部の研究では物理マイクログリッドプラットフォームを実験にうまく利用している一方で、特に階層制御の文脈で、これらの実験プラットフォームとその使用法に関する体系的な文書化と包括的な説明が著しく不足していることは明らかです。このギャップは、実験のセットアップ、方法論、および結果に関する詳細な情報が、研究の再現、研究の進展、およびマイクログリッド技術における階層制御戦略の実用化の促進にとって重要であるため、重要です。このようなニーズに照らして、本稿では、階層制御に焦点を当てたDCマイクログリッドの物理実験プラットフォームの開発と利用について詳細かつ体系的に紹介し、この分野で進行中の研究に貴重な洞察と実践的なガイドラインを提供することを目的としています。

要約すると、この論文の主な貢献は次のとおりです。まず、階層制御戦略の枠組みの下で、この論文はマイクログリッド制御に必要な制御アルゴリズムと実装を詳細に詳しく説明していますが、以前の研究では、実験を検証として扱っており、それ以上の詳細はありません。次に、制御アルゴリズムの展開に合わせて、このホワイトペーパーでは、マイクログリッドコンポーネントのハードウェアセットアップとトポロジも提供し、マイクログリッド制御実験の再現性を向上させます。第三に、スケーラブルな実験プラットフォームを構築することにより、この論文はマイクログリッドに関する将来の研究の基礎を築き、通信遅延や負荷変動などの実世界での制御性能をさらに調査できるようにし、それによってより堅牢で効率的な制御戦略の開発を支援します。

プロトコル

このセクションでは、 図1に示す階層制御を組み込んだDCマイクログリッドの開発と実験に用いる手法について、OPAL RT-Lab(以下、シミュレータ)で実装する方法について概説します。このプロトコルは、物理セットアップと回路モデリング、制御ストラテジーの実装、およびシミュレータ実験セットアップの3つの主要なセクションに分かれています。このプロトコルは、高レベルの最適化と主電力網との相互作用を含む三次制御戦略をカバーしておらず、現在の実験設定の範囲を超えており、将来の作業に委ねられていることに注意してください。

1. 物理セットアップと回路モデリング

1. システムの電気的トポロジ
   注:DCマイクログリッドシステムの回路アーキテクチャを考慮して、次の手順でハードウェア実験プラットフォームの構築を進めます。
   1. 個別DERの構築
      1. ワイヤを通るDC電流の正極を降圧回路の入力正極に接続し、同時に対応する負極を接続します。特定のコンバータを図2Aに示します。降圧コンバータの数学的モデルを構築して、後続のシミュレーションや実験セットアップの制御パラメータの設計を容易にします。図3に示すような標準的な降圧コンバータの場合、以下の⁵に示すように、状態空間平均化法を使用してその状態空間方程式を作成します。
              (1)
         ここで、^{I L}、VCはそれぞれインダクタ電流と出力電圧です。R、L、Cは、コンバータ回路のコンポーネントパラメータです。V^は入力DC電圧を表します。dはDC-DCコンバータのデューティサイクルを表します。式 ( 1) を次の伝達関数形式に変換すると、PI コントローラーの設計に便利です。
         
              (2)
         ここで、s はラプラス演算子を表します。G_Id(s) は、電流に対するデューティ比の伝達関数です。G_VI(s)は電流から電圧への伝達関数です。
      2. 複数のDERを使用したマイクログリッド構築
         1. 上記のように、個々の DER を構築するプロセスを繰り返します。複数のDERを配置した状態で、各降圧回路の対応する正と負の出力端子を接続します。
         2. ラインインピーダンスをシミュレートするには、各DERの正極間に小さな抵抗を直列に挿入します。
      3. 負荷の統合
         1. 抵抗を使用して、DCマイクログリッドの一般的な負荷をシミュレートします。グローバル負荷の場合は、抵抗器の端子をすべてのDERの正極と負極の合流点に直接接続します。ラインインピーダンスが存在する場合は、 図2Dに示すように、各降圧回路の出力に抵抗を接続して、ローカル負荷をシミュレートします。
            注:この実験では、 図2Cに示すように、プラグインコネクタを使用して回路接続を実装します。
2. ハードウェア回路の設計とセットアップ
   注: 図1のトポロジに対応するDCマイクログリッド実験プラットフォームのハードウェアセットアップは、主に次の手順で構成されています。
   1. DC 電源の構成
      1. 電源ボタンを押して電源をアクティブにします。
      2. 電圧を調整tageノブを使用して指定値に。この電源は、出力範囲が[0〜300 V] 、最大電力が 600 Wの定電圧DC電源です。実験の開始時にスイッチを押して電源供給を開始します。この実験で使用した電源を 図2Bに示します。
   2. DC-DC降圧コンバータのセットアップ
      1. コンバータの入力信号と出力信号を信号変換ボードに配線し、信号ケーブルを介してシミュレータハードウェアコントローラに接続します。
         注意: この設定により、電流および電圧信号をアナログ形式で出力し、コントローラーからPWM信号を送信して回路レベルでコンバーターを駆動できます。
   3. バスと負荷の接続の検証
      1. この手順が手順 1.1.3 と一致していることを確認します。すべての接続の精度とセキュリティを検査します。

2. 制御戦略の実装

1. 2.1.ドループ制御の構成
   1. シミュレータ内の制御モジュールにドループ制御モジュールを構築します( 図4に示すように、ゲインブロックやディファレンスブロックなどのコンポーネントをドラッグアンドドロップします)。
   2. 「ゲイン」モジュールをダブルクリックし、必要に応じてドループ係数を設定します。
2. デュアルループPI制御のセットアップ
   1. シミュレータでコンポーネントをドラッグアンドドロップして、制御ブロック図を作成します( 図5を参照)。
   2. PI 制御ゲインを選択するときは、式 ( 2) の降圧コンバーターの伝達関数モデルを使用し、最初に内側のループ (電流ループ) を設計し、次に外側のループ (電圧ループ) を設計する順序に従います。
      注:デュアルループ制御方式では、急速な電圧調整によりDER間の電力分配の精度が損なわれる可能性があるため、高速ダイナミック応答と電力共有精度の間にはトレードオフがあります。
3. 分散通信トポロジーの構築
   1. 各DERのコントローラに異なる入力信号を提供して、集中シミュレータコントローラ内で分散制御を実装します。たとえば、DER 1の場合、 図6 の左側と 図7Cに示すように、DER 2とDER 4からの信号を制御モジュールにドラッグして分散通信を有効にします。
4. 分散型二次制御戦略の実装
   1. シミュレータで、コンセンサスベースの2次制御に基づいて2次制御のブロック図を作成します( 図6を参照)。制御ゲインを変更して、二次制御応答を調整します。

3. リアルタイムシミュレータの実験セットアップ

注:シミュレータ実験の具体的な構成は、 図8に示すように、4つのステップで構成されています。

1. モデルの初期化
   1. [編集] ボタンをクリックして、シミュレータで実行されているプログラムを変更します。続いて、SETボタンをアクティブにして、現像プロパティの設定を完了します。
2. モデルのコンパイル
   1. モデルの編集が完了したら、[ ビルド ] ボタンをクリックして、モデルを実行可能コードにコンパイルします。
   2. 「コンパイルに成功しました」というメッセージが表示されるまで、ソフトウェアのコンパイルウィンドウを監視します。エラーが発生した場合は、プロンプトに基づいてエラーを特定し、必要な修正を行います
3. シミュレータのリアルタイム制御設定
   1. コンパイル処理が完了したら、シミュレーションモード、リアルタイム通信リンクタイプ、その他の関連パラメータなどのプログラムコード設定を行います。
4. プログラムのダウンロードと実行
   1. コンパイルされた実行可能プログラムをコントローラーハードウェアにダウンロードし、実験を開始します。
   2. 電圧プローブをオシロスコープの電圧プローブを各DER出力の正端子と負端子に接続し、電流プローブを出力ポートにクランプします。オシロスコープ・ウィンドウを使用して、マイクログリッド内の各DERからの出力を観察します。

結果

図4は、シミュレータ内に構築された制御モジュール内のドループ制御モジュールを示しています。詳細な設計は、次の垂れ下がりメカニズムに基づいています。

ドループ制御メカニズムは、DCマイクログリッドにおける分散型一次制御の基本的な戦略です。これは、ACシステムの同期発電機の動作をエミュレートして、異なるDER間で負荷を比例的に共有します。ドループ制御は、各DERの出力電圧を、あらかじめ定義されたドループ特性に従って、その出力電流に基づいて調整します。

     (3

ディスカッション

図10 は、通信遅延のない二次制御下のマイクログリッドシステムの電流と電圧の応答を示しています。 時間 t₁ より前は、システムはドループベースの 1 次制御によってのみ調整されており、電圧が公称値の 48 V で安定できず、電流分布が比較的不正確であることが明らかです。時間 t₁ で 2 次制御をアクティブにすると、電圧は t₂ で約 48 V まで急速に回復し、電流は 3:1:3:1 の比率で正確な分布を達成します。これは、セカンダリ コントロールがその制御目標を効果的に満たしていることを示しています。

実際の複雑な電力通信ネットワークでは、通信に依存する二次制御は、多くの場合、ネットワーク遅延の課題に直面します。このような遅延は、システムのパフォーマンスを低下させ、応答時間の遅延、安定性の低下、さらには電力共有の不正確さにつながる可...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
プログラマブルDC 電源	ITECH	IT-M7700	DC電源
リアルタイムシミュレータ	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	リアルタイムコントローラー
オシロスコープ	Tektronix	MSO58 5-BW-500	オシロスコープ
ケーブルや抵抗器などの電装品