[论文解读] Experimental implementation of an emission-aware prosumer with online flexibility quantification and provision

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

Building Energy and Comfort Optimization参考文献 37被引用 6

一句话总结

本研究提出一种基于模型预测控制（MPC）的排放感知型产消者系统，旨在最小化电力进口的碳排放，同时实现向配电网运营商（DSO）的在线灵活性量化与提供。在真实建筑实验中，与最大化光伏（PV）自用的规则控制基准相比，系统实现了12.5%的等效碳排放减少，未出现反弹效应，且维持了热舒适性。

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.

研究动机与目标

• 弥合现有实验研究在真实场景中对排放感知建筑运行、灵活性提供及用户影响的综合洞察不足。
• 开发并验证一种在线灵活性量化与提供框架，同时尊重用户舒适度与运行约束。
• 评估在真实有人居住建筑中集成减排、灵活性服务与用户偏好的实际可行性。
• 通过自报灵活性边界，评估在向配电网运营商（DSO）提供灵活性过程中反弹效应的风险。
• 提供实时自动化建筑能效管理系统中热舒适性与用户反馈的实证数据。

提出的方法

• 在现有建筑能效管理系统中增强模型预测控制（MPC）策略，以最小化电网进口的等效碳排放。
• 整合基于历史数据推导的简化热模型，以表征空间供暖与生活热水（DHW）负荷，确保计算效率。
• 将在线灵活性量化建模为优化问题，基于实时条件与用户偏好动态计算灵活性边界。
• 通过集中式MPC协调需求侧资源（包括热泵、蓄热系统与电动汽车），实现灵活的功率调节。
• 在闭环实验中通过模拟DSO实现灵活性提供，其中灵活性被请求以缓解网络阻塞。
• 使用自报灵活性边界预先定义运行边界，降低灵活性提供过程中反弹效应的风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实有人居住建筑中，排放感知型MPC策略是否能在维持热舒适性的前提下减少碳排放？
• RQ2 在线灵活性量化在多大程度上可实现自动化并集成到实时建筑能效管理系统中？
• RQ3 在使用自报灵活性边界的前提下，向配电网运营商（DSO）提供灵活性时，反弹效应的风险如何？
• RQ4 在真实运行环境下，用户对自动化MPC控制下的热舒适性与用户偏好有何感知？
• RQ5 多种需求侧资源在多大程度上可被协调以向电网提供可测量且可靠的灵活性？

主要发现

• 与最大化光伏（PV）自用的规则控制器相比，排放感知型MPC将等效碳排放降低了12.5%。
• 实验期间热舒适性得到维持，37.5%的问卷反馈显示卧室环境略感凉爽，所有DHW反馈均评为‘非常满意’。
• 灵活性提供过程中未观察到反弹效应，因自报灵活性边界确保了运行限制与用户偏好的尊重。
• 在线灵活性量化框架成功协调了多个需求侧资源，并在DSO通知后实现自动化灵活性提供。
• 基于历史数据推导的简化热模型在真实条件下表现令人满意，可能归因于水暖吊顶供暖系统较慢的热动态特性。
• 用户在问卷调查中出现疲劳，限制了反馈收集，表明未来部署中需改进实时反馈机制。