長期スケールにおける電気化システムモデリングの解明

電気システム（スマートグリッドから電気自動車まで）を設計するエンジニアは、性能、効率、制御戦略を検証するためにシミュレーションツールに依存しています。これらのシステムをシミュレートする際には、物理ベースの精度とシミュレーション時間のトレードオフがしばしば生じてきました。
正確な回路モデルの計算コストが高いため、これらのモデルは現実世界の長期間のシナリオを研究したり、電気と熱流体システムを組み合わせたシミュレーションを行うには利用できませんでした。

Modelon Impactの電気化ライブラリの最新バージョンでは、この制限はもはや問題ではありません。この最新バージョンでは、電気回路モデルの精度を維持したまま、これらのシステムを長時間（数分から数時間）にわたってシミュレートする機能が追加されました。

電気パワーコンバーターを搭載したシステムの高速シミュレーション

シミュレーション性能は、スケールの違いにより、電気化システムにおいて通常ボトルネックとなります。電力電子機器の動的特性は、関連する運転シナリオの時間スケールに比べてはるかに速いためです。特に、交流（AC）が関与するシステム（例えば、電力網に接続されたインバーターや整流器を備えたシステムや、電動機を駆動するシステム）では、この傾向が顕著です。

長期的な視点が求められる例としては、以下のようなものがあります。

• 太陽光発電システムが変動する気象条件下で電力網に電力を供給
• 熱流体動力学の応答が遅い燃料電池
• 可変速度コンプレッサーとその全体的な熱管理への影響
• 電気自動車のフルドライブサイクル

Modelon ImpactのElectrification Libraryの最新版では、モデルが対象とする時間のスケールに応じて詳細度を調整することで、パフォーマンスが大幅に向上しています。ケースによっては、従来のバージョンと比べて最大でシミュレーション速度が100倍速くなることもあります。

これにより、これまで短いシナリオにしか適用できなかったツールとモデル構造を同じままに、関連するすべての時間スケールにわたる広範なエンジニアリング質問を投げかけ、回答する能力が解放されました。

パワーエレクトロニクスに関連する典型的なエンジニアリング質問には次のようなものがあります：

• 実際の現実世界シナリオにおける動作点の範囲はどの程度ですか？
• コンポーネントの限界に達するシナリオは存在しますか？（電気的、熱的、ソフトウェア）
• 制御実装は、障害や故障イベントに対して頑強ですか？
• これらの電気コンポーネントを大規模なマルチドメインシステムに統合した場合、動的な問題は発生しますか？

低忠実度モデルが低精度を意味しない理由

モデル精度を調整する際は、常にトレードオフが伴います。高速な性能を実現する一般的な方法は、経験則に基づくモデルに依存することです。しかし、これには物理的な情報を失うという欠点があり、コンポーネントデータを直接利用することが困難になり、データが存在する運転条件下でのみ有効な結果が保証されます。
当社の新しい低忠実度モデルでは、異なるアプローチを採用しました：周波数成分をスケールダウンします。重要な点は、例えば数時間に及ぶシナリオを分析する場合、50 Hzの正弦波形を詳細に再現する必要がない点です。これらのモデルでは、解像度を低下させて性能を向上させつつ、詳細なモデルと同等の結果を平均的に再現可能です。

これらのモデルは忠実度スペクトラム上に互換性のあるモデルであり、エンジニアが詳細を適切な時間スケールに調整しやすくなっています。エンジニアは、ミリ秒単位で測定された急激な過渡現象や波形を詳細に分析するためにズームインしたり、分や時間単位で測定された動作サイクルにおける緩やかな傾向を分析するためにズームアウトしたりできます。その際、同じモデリングパラダイムを維持し、同じパラメーターとコントローラーを再利用できます。

マルチフィデリティを活用してマルチドメインシミュレーションを実現する

電気化システムは本質的に多領域にわたるシステムであり、電気、機械、熱、流体力学の領域を跨いでいます。しかし、これらの領域を同時にシミュレートするには、時間定数が一致していない場合、計算量が膨大になる可能性があります。

この課題は、最新のElectrification Libraryのバージョンで解決されています。このライブラリは、エンジニアが電気モデルの周波数特性を他の物理領域の動力学に合わせるように適応させることができます。

これにより、エンジニアはこれまで不可能だった統合多領域システムに関する質問に答えることが可能になります。

例えば：

• 燃料電池または電解槽の電気電源の堅牢性を検証する。
• 空調システムにおける可変速度コンプレッサーの電気モーターとインバーターの制御を検証する。

この柔軟なモデル忠実度により、エンジニアはより大規模なシステムのマルチドメイン挙動を分析するために適切な忠実度を得ることができます。同時に、同じモデル構造をModelon Impactで使用することで、詳細を拡大してより高速な電気的ダイナミクスを分析する必要が生じた場合にも、スケールアップが可能です。

エンジニアリングへの影響を追求して設計されました

これらの更新が真に強力な理由は、シミュレーション速度の向上だけではありません。より多くの適切なエンジニアリング質問に、より効率的かつ自信を持って回答できる点にあります。エンジニアは、長期間にわたるアプリケーションに関連する時間スケールでも正確性を維持する物理ベースのモデリングに依存できます。彼らは、電気、機械、熱、流体、制御のドメインにわたる相互作用を、統一された環境内でシミュレートできます。モデルの拡張可能な精度により、維持管理が必要なモデルの種類を削減しつつ、高詳細表現とシステムレベル表現の間をシームレスに切り替えることが可能です。この柔軟性は、ツールを切り替える必要なく、早期段階のアーキテクチャ決定を支援する洞察と、詳細なコンポーネントレベル検証を提供します。
ハイブリッドエネルギーシステム、電力配電アーキテクチャ、または電気駆動システムを評価する場合でも、Modelonライブラリは、最も重要な時間スケールで自信を持ってシミュレーションを行うための力を提供します。

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