[논문 리뷰] Flexibility of Commercial Building HVAC Fan as Ancillary Service for Smart Grid

Mehdi Maasoumy, Jorge Ortiz외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 24.

Smart Grid Energy Management인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 상업용 건물의 환기공조(AC) 팬이 공급 덕트 정압을 조절함으로써 스마트 그리드의 보조 주파수 조정 서비스를 제공할 수 있음을 입증한다. 이는 미국 내에서 최대 4 GW의 즉각 이용 가능한 조정 예비력이 가능하며, 실내 기후에 미치는 영향은 최소한이다. 연구는 건물 시스템의 열 여유를 활용하여 전력 주파수 안정성을 향상시키는 제어 전략을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 데이터를 활용하여 상업용 건물 환기공조 시스템이 제공할 수 있는 보조 조정 용량을 정량화하는 것.
• 공급 덕트 정압을 조절함으로써 실내 열적 편안함과 건물 기후에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 기존 AGC 기반 제어를 초월하여 건물 수준의 유연성을 활용해 전력망 주파수 조정 성능을 향상시키는 제어 전략을 개발하고 테스트하는 것.
• 미래 스마트 그리드 운영을 위한 환기공조 시스템의 탄소저감 자원으로서의 국가 규모 잠재력을 추정하는 것.
• 건물 수준의 유연성을 전력망 제어 프레임워크에 통합하여 신뢰성 향상과 재생 가능 에너지 통합을 강화하는 방법을 탐색하는 것.

제안 방법

• 캘리포니아대학 버클리 캠퍼스의 건물 데이터 포털인 sMAP에서 확보한 실측 데이터를 활용하여 신축 상업용 건물의 에너지 소비를 모델링하였다.
• 주 공급 팬의 전력 유연성을 유도하기 위해 공급 덕트 정압(SDSP)을 조절하는 방식으로 대규모 실험을 수행하였다.
• 전력망 주파수 이격에 따라 보조 전력 흐름을 조절하기 위한 비례 제어 전략을 설계하였으며, 가용 건물 유연성에 기반한 포화 제약 조건을 적용하였다.
• 관성, 감쇠, 자동 발전 제어(AGC)를 포함한 시간에 따라 변화하는 수요 및 발전을 고려한 단순화된 전력 시스템 모델에서 제어 전략을 시뮬레이션하였다.
• 핵심 방정식으로는 주파수 기반 보조 전력 명령(P_anc)과 이득 Kp, 그리고 포화 제약 조건(P_anc_min 및 P_anc_max)을 포함하였다.
• 세 가지 시나리오(보조 서비스 미사용, 0.3 p.u. 및 0.6 p.u. 보조 전력 제한) 하에서 주파수 반응을 비교하여 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공급 덕트 정압 조절을 통한 상업용 건물 환기공조 팬으로부터 측정 가능한 보조 조정 용량은 얼마인가?
• RQ2 팬 제어를 통한 간헐적 공기 유량 조절이 실내 열 조건과 거주자 편안함에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 건물 수준의 유연성이 기존 AGC 기반 제어에 비해 전력망 주파수 조정 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 2035년까지 상업용 건물이 조정 예비력 자원으로서의 국가 규모 잠재력은 얼마인가?
• RQ5 건물의 열 여유를 어떻게 활용하여 전력망 안정성을 위한 신속하고 반응성이 뛰어난 보조 서비스를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 공급 덕트 정압을 조절함으로써 실내 기후에 인간이 감지할 수 있는 변화 없이 환기공조 팬의 전력 유연성을 유도할 수 있다.
• 실제 건물 데이터를 기반으로 미국 내 상업용 건물에서 최소 4 GW의 조정 예비력이 확보 가능하다고 추정된다.
• 건물 전기화 확대 및 BEMS 도입 증가로 인해 2035년까지 이 용량이 5.6 GW로 증가할 것으로 예측된다.
• 시뮬레이션 결과, 건물에서 보조 전력 흐름을 도입함으로써 전력망 주파수 조정 성능이 향상되었으며, 더 높은 가용 전력 수준(0.6 p.u. 대비 0.3 p.u.)에서 성능이 뛰어났다.
• 제안된 제어 전략은 갑작스러운 부하 변화 시 주파수 이격을 감소시켜 시스템 안정성을 향상시킨다.
• 온도 제어 가능 부하(TCLs), 특히 환기공조 팬은 빠르고 반응성이 뛰어나며 확장 가능한 보조 서비스를 제공할 수 있으며, 느린 기계 기반 조정과 보완할 수 있다.