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Apr 27, 2023

より信頼性の高い電力網のためのインテリジェントなビルディングブロック

Ed Brown Dr. Radha Krishna Moorthy: Gli elementi costitutivi di base siamo noi

エド・ブラウン

博士。 ラダ・クリシュナ・ムーシー:基本的な構成要素は、スマート ユニバーサル パワー エレクトロニクス レギュレーターの略である SUPER と呼ばれるものです。 これは、DC/DC システム (インバーター)、または DC/AC ステージに接続された DC/DC ステージのいずれかと考えることができます。 ブロックは、使用する電力変換の種類に応じて、任意の形式または形状を取ることができます。 SUPER には独自の基本的なサブコンポーネントがあります。 たとえば、SUPER を構成するパワーステージは、IPS (インテリジェントパワーステージ) と呼ばれます。

クリシュナ・モーシー： SUPER の基本機能は、AC から DC、または DC から DC への電力変換です。 SUPER は、これをより積極的に実行し、組み込みインテリジェンスや意思決定から、オンライン健全性監視、自律運用機能、サイバー物理セキュリティに至るまで、さまざまな特別な機能をホストします。

通常のパワー エレクトロニクス コンバータについて考えてみると、またソーラー パネル設置業者や公共事業担当者からのレポートを読んだ場合、最大の潜在的な故障点はコンデンサとパワー半導体デバイスであることがわかります。 したがって、モニタリングの層を追加して、コンデンサに関するより多くのデータを取得したり、半導体デバイスに関するより多くのデータを取得できれば非常に役立ちます。 システムの健全性を分析するのに役立ちます。

クリシュナ・モーシー：半導体デバイスのオン電圧を測定します。 また、ドレインソースを直接測定するための規定も備えています。 したがって、これら 2 つを使用するとオン状態抵抗を計算でき、これは半導体モジュールに関連する故障メカニズムを予測するのに役立ちます。 それに加えて、ベースプレート温度、デバイスのジャンクション温度、静電容量の推定値などのデータもあります。このデータを上位層に蓄積して、システムの健全性に関する情報を得ることができます。

クリシュナ・モーシー：コンデンサの状態を判断する 1 つの方法は、リップル電流を測定してその変化を確認することです。 もう 1 つの方法は、システム内の静電容量を継続的に計算することです。 たとえば、システムがスタンバイ状態になった場合、単純な RC 時定数ベースの計算を実行して、時間の経過に伴うシステム静電容量を決定できます。 そのため、何かに障害が発生したり、容量が低下したり、劣化が進んでいる場合には、事前に知ることができます。

クリシュナ・モーシー：私たちがデモしたものでは、AC 480 ボルトの 75 KVA システムについて話しましたが、これらはより高い電力とより高い電圧に合わせて拡張できます。

クリシュナ・モーシー：基本的なインバータはSUPERです。 独自の基本的な電力ステージと、その上にさらにサブコンポーネントを追加して構成できます。 IPS はスーパーのサブコンポーネントの 1 つです。 これは基本的に、入力、出力、サイドコンタクタ、半導体デバイス、関連するゲートドライバ、小型の受動素子、それらに必要な関連する受動素子、およびその内部の高度なセンシングエンティティを備えた総合的な電力段です。 したがって、IPS は特定の制御機能を実行できますが、SUPER フレームワークを使用して上から 1 つのインバーターとして機能するように調整できます。

最も簡単な言葉で言うと、たとえば 250 キロワットのインバーターを構築したい場合、たとえば、それぞれの定格が 50 キロワットの 5 つの IPS と、受動素子、補助電源を含む他のサブコンポーネントが必要になります。これらが連携して 250 キロワットを供給します。

私たちの指針となる哲学は、1 つの IPS に障害が発生しても、総出力電力は低下するものの、システム全体がダウンするのではなく、他の IPS を引き続き動作させることができるというものです。

クリシュナ・モーシー：IPS はパルス幅変調 (PWM) の生成のみを行います。SUPER はそれらを調整し、出力と入力を調整し、その他の必要な機能を提供します。

クリシュナ・モーシー：私たちが検討していた側面の 1 つは、メカニズムとサブコンポーネントの標準化でした。 これを行うと、ベンダーがコンバータ全体を構築するのではなく、サブコンポーネントを提供する機会が生まれます。 たとえば、250 キロワットの SUPER を持っている場合、別のベンダーに IPS を製造してもらうことができます。

これは私たちがここ研究所で取り組んでいる構造でもあります。 SUPER と連携できるように標準化されている限り、他の誰かが IPS を実行できます。 さまざまなベンダーから IPS とサブコンポーネントを入手して、それらを接続することもできます。 あるベンダーをインバーターに使用し、他のベンダーを内部コンポーネントに使用することができます。

クリシュナ・モーシー：はい。

クリシュナ・モーシー：私が考えていた用途は太陽光発電 (PV) システムです。

たとえば、1MW の実用規模の PV が必要な場合、PV サブモジュールの 1 つが故障すると、プラント全体が停止します。 したがって、それを回避するためのアーキテクチャがあり、それによってこの PV が劣化しているか、コンポーネントの障害が発生する可能性があることがわかる場合は、システム全体をダウンさせるのではなく、それに基づいてメンテナンスのスケジュールを立てることができます。

クリシュナ・モーシー：そこでアーキテクチャが登場します。階層には何層にもわたって存在します。 したがって、IPS は SUPERS によって調整されるため、SUPERS はノードとして調整されます。 私たちは各層で何かが失敗しているかどうかを知らせるインテリジェンスを有効にしています。 そして、トップレベルに「OK、これが失敗していて、これがなくてもスムーズに動作できる場合は、出力電力を下げて回避できます。」と伝えるレイヤーがあります。 それが私たちがあらゆる層に埋め込んでいる種類のインテリジェンスです。

クリシュナ・モーシー：正直に言うと、私はこれをあらゆるところで視覚化しています。

クリシュナ・モーシー：マイクログリッドは、たとえば AC または DC マイクログリッドの場合、多数のインバーターまたはコンバータをまとめたものです。 SUPER はマイクログリッドに使用できますが、実行できる集約にはもう 1 つのレベルがあります。多数の電力段を集約して出力電力を増加させながら、グリッドへの接続点を 1 つ確保することができます。 これが、このアーキテクチャで可能な集約レベルです。

関連リンク：

持続可能な電力システムへのシステム工学的アプローチ

NREL の広範なパワー エレクトロニクス機能

クリシュナ・モーシー：近いうちに、大規模な統合のいくつかが見られるようになるでしょう。 このプロジェクトに関しては、これらの SUPER ができることの構成と、アーキテクチャが役立つさまざまな方法を事前に定義します。

そこで現在、私が取り組んでいる大きなことは、それらをマイクログリッドのようなノードに統合し、それらがトップレベルのマイクログリッドにとってどれほど有益であるかを確認することです。 また、下流で取得する大量のデータによって得られる制御の柔軟性を確認するためでもあります。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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