[논문 리뷰] Experimental implementation of an emission-aware prosumer with online flexibility quantification and provision

Hanmin Cai, Philipp Heer|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Building Energy and Comfort Optimization참고 문헌 37인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 전력 수입의 탄소 배출를 최소화하면서도 실시간으로 유연성 제공 능력과 분포계통 운영자(DSO)와의 협업을 가능하게 하는 배출 인식 기반 프로슈머 시스템을 모델 예측 제어(MPC)를 통해 제안한다. 실제 건물 실험에서 이 시스템은 태양광(PV) 자가소비 기준 대비 등가 탄소 배출량을 12.5% 감소시켰으며, 재반동 효과는 없었고 열적 편안함은 유지되었다.

ABSTRACT

Active building energy management holds potential to reduce global energy-related emissions and support flexible operations of future low-carbon systems. This requires to integrate diverse objectives and engage multiple stakeholders. However, there remains a gap in comprehensive field insights into emission reduction, flexibility provision, and user impacts. This study examined how a real occupied building, with all its energy assets, could function as an emission-aware flexible prosumer. An existing building energy management system was enhanced by integrating a model predictive control strategy. The enhanced setup minimized the equivalent carbon emission due to electricity imports and provided flexibility to the energy system. The experimental results indicated an emission reduction of 12.5% compared to a rule-based controller that maximized PV self-consumption. In addition, a minimal flexibility provision experiment was demonstrated with a locally emulated distribution system operator. The results suggested that flexibility was provided without the risk of rebound effects. This is due to the flexibility envelope that was self-reported in advance. The study concluded by highlighting technical challenges in realizing emission reduction and flexibility in practice.

연구 동기 및 목표

• 실제 환경에서 탄소 배출 인식 기반 건물 운영, 유연성 제공 및 거주자 영향에 대한 종합적인 실험적 통찰의 격차를 메우기 위해.
• 사용자 편안함과 운영 제약 조건을 고려한 실시간 유연성 제공 및 측정 프레임워크를 개발하고 검증하기 위해.
• 실제 점용 건물에서 탄소 감축, 유연성 서비스 및 거주자 선호도를 통합하는 실용적 타당성을 평가하기 위해.
• 자기 보고 기반의 유연성 범위를 사용하여 유연성 제공 중 재반동 효과의 위험을 평가하기 위해.
• 실시간 자동 건물 에너지 관리 시스템에서 열적 편안함과 사용자 피드백에 대한 실증 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전력망 수입으로 인한 등가 탄소 배출량을 최소화하기 위해 기존 건물 에너지 관리 시스템에 모델 예측 제어(MPC) 전략을 통합하였다.
• 역사적 데이터에서 유도된 단순화된 열 모델을 도입하여 공간 난방 및 온수(DHW) 부하를 표현함으로써 계산 효율성을 확보하였다.
• 실시간 조건과 사용자 선호도를 기반으로 동적으로 유연성 범위를 계산하는 최적화 문제로 실시간 유연성 측정을 수립하였다.
• 중앙집중식 MPC를 통해 열펌프, 열에너지 저장장치 및 전기차 등 후면에 위치한 자원을 통합하여 유연한 전력 조절을 수행하였다.
• 모의 DSO를 사용한 폐쇄형 루프 실험을 통해 유연성 제공 능력을 시연하였으며, 네트워크 혼잡을 완화하기 위해 유연성이 요청되었다.
• 자기 보고 기반의 유연성 범위를 사용하여 사전에 운영 제한과 사용자 선호도를 정의함으로써, 유연성 제공 중 재반동 효과의 위험을 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배출 인식 기반 MPC 전략은 실제 점용 건물에서 열적 편안함을 유지하면서도 탄소 배출량을 줄일 수 있는가?
• RQ2 실시간 건물 에너지 관리 시스템에 통합된 실시간 유연성 측정은 얼마나 자동화되고 효과적으로 작동하는가?
• RQ3 자기 보고 기반의 유연성 범위를 사용하여 분포계통 운영자(DSO)에게 유연성 제공 시 재반동 효과의 위험은 얼마나 되는가?
• RQ4 실제 운영 조건에서 자동 MPC 제어 하에 거주자는 열적 편안함과 사용자 선호도를 어떻게 인식하는가?
• RQ5 다양한 후면 자원들이 얼마나 측정 가능하고 신뢰할 수 있는 유연성 제공를 위해 통합 조정될 수 있는가?

주요 결과

• 배출 인식 기반 MPC는 태양광(PV) 자가소비를 최대화하는 룰 기반 제어기 대비 등가 탄소 배출량을 12.5% 감소시켰다.
• 실험 전반에 걸쳐 열적 편안함이 유지되었으며, 설문 응답 중 37.5%는 침실에서 약간 시원한 조건을 기재했고, 모든 온수(DHW) 피드백은 '매우 만족'으로 평가되었다.
• 유연성 제공 기간 동안 재반동 효과는 관찰되지 않았으며, 자기 보고 기반 유연성 범위가 운영 제한과 사용자 선호도를 모두 준수함으로써 이에 기인하였다.
• 실시간 유연성 측정 프레임워크는 여러 후면 자원을 성공적으로 통합하고 DSO 통보 시 자동으로 유연성 제공를 가능케 하였다.
• 역사적 데이터에서 유도된 단순화된 열 모델은 실제 조건에서 만족스럽게 작동하였으며, 이는 물 기반 천장 난방의 느린 열역학적 특성 때문일 가능성이 높다.
• 설문 조사 중 사용자 피로로 인해 피드백 수집이 제한되었으며, 향후 구현에 있어서 개선된 실시간 피드백 메커니즘이 필요함을 시사한다.