[論文レビュー] Flexibility of Commercial Building HVAC Fan as Ancillary Service for Smart Grid

Mehdi Maasoumy, Jorge Ortiz+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2013

Smart Grid Energy Management被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、供給ダクト静圧の調整によってスマートグリッドの周波数制御サービスとして商業ビルのHVACファンが顕著な補助的周波数制御サービスを提供可能であることを示している。これにより、米国では最大4 GWの容易に利用可能な制御予備力が得られ、室内気候への影響は最小限に抑えられる。本研究では、建物システム内の熱的余裕を活用することでグリッド周波数安定性を向上させる制御方式の有効性を検証した。

ABSTRACT

In this paper, we model energy use in commercial buildings using empirical data captured through sMAP, a campus building data portal at UC Berkeley. We conduct at-scale experiments in a newly constructed building on campus. By modulating the supply duct static pressure (SDSP) for the main supply air duct, we induce a response on the main supply fan and determine how much ancillary power flexibility can be provided by a typical commercial building. We show that the consequent intermittent fluctuations in the air mass flow into the building does not influence the building climate in a human-noticeable way. We estimate that at least 4 GW of regulation reserve is readily available only through commercial buildings in the US. Based on predictions this value will reach to 5.6 GW in 2035. We also show how thermal slack can be leveraged to provide an ancillary service to deal with transient frequency fluctuations in the grid. We consider a simplified model of the grid power system with time varying demand and generation and present a simple control scheme to direct the ancillary service power flow from buildings to improve on the classical automatic generation control (AGC)-based approach. Simulation results are provided to show the effectiveness of the proposed methodology for enhancing grid frequency regulation.

研究の動機と目的

• 実世界のデータを用いて、商業ビルHVACシステムから得られる補助的制御容量を定量的に評価すること。
• 供給ダクト静圧を変調することによる室内熱的快適性および建物内気候への影響を評価すること。
• 従来のAGCに基づく制御を超えて、建物レベルの柔軟性を活用してグリッド周波数制御を改善する制御戦略の開発および実験検証すること。
• 将来的なスマートグリッド運用におけるHVACシステムの柔軟リソースとしての全国的潜在可能性を推定すること。
• 建物レベルの柔軟性をグリッド制御フレームワークに統合し、信頼性の向上および再生可能エネルギー統合を促進すること。

提案手法

• カリフォルニア大学バークレー校のキャンパス建物データポータルであるsMAPから得られた実証データを用いて、新築商業ビルのエネルギー使用をモデル化した。
• 大規模実験として、主要供給ファンにおける電力の柔軟性を引き出すために、供給ダクト静圧（SDSP）を変調した。
• グリッド周波数のずれに基づいて補助的電力フローを制御する割合制御方式を設計し、利用可能な建物の柔軟性に基づいた飽和制限を設けた。
• 慣性、減衰、および自動発電制御（AGC）を含む時間変動する需要および発電を想定した簡略化された電力システムモデルで、制御戦略をシミュレーションした。
• 主な方程式には、周波数に基づく補助的電力指令（P_anc）を表すもので、利得Kpと飽和制約（P_anc_minおよびP_anc_max）を含む。
• 周波数応答を、補助的サービスなし、および0.3 p.u.および0.6 p.u.の補助的電力制限を適用した場合の3つのシナリオで比較して評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 供給ダクト静圧の変調によって商業ビルHVACファンから得られる測定可能な補助的制御容量はどの程度か？
• RQ2 ファン制御による間歇的空気供給の変調は、室内熱的状態および居住者の快適性にどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 建物レベルの柔軟性は、従来のAGCに基づく制御と比較して、グリッド周波数制御性能を向上させることができるか？
• RQ4 2035年までに、商業ビルが制御予備力の供給源として全国規模でどの程度の潜在能力を持つと予想されるか？
• RQ5 建物内の熱的余裕を活用することで、迅速かつ応答性の高い補助的サービスをグリッド安定性に提供できるか？

主な発見

• 供給ダクト静圧の変調により、室内気候に人間が気づくような変化を伴わず、HVACファンの電力の柔軟性が得られる。
• 本研究では、実際の建物データに基づき、米国における商業ビルから少なくとも4 GWの制御予備力が利用可能であると推定した。
• 電気化の拡大およびBEMSの導入拡大に伴い、2035年までにこの容量は5.6 GWにまで拡大すると予測される。
• シミュレーション結果から、建物から補助的電力フローを導入することでグリッド周波数制御が改善され、利用可能な電力レベルが高い場合（0.6 p.u.対 0.3 p.u.）に性能が優れていることが示された。
• 提案された制御方式により、特に突然の負荷変動時において周波数偏差が低減され、システムの安定性が向上した。
• 温度制御可能負荷（TCLs）、特にHVACファンは、迅速で応答性が高くスケーラブルな補助的サービスを提供でき、遅延の大きい発電機ベースの制御を補完できる。