[论文解读] 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 34

一句话总结

本文证明，通过调节风管静压，商业建筑暖通空调（HVAC）风机可为智能电网提供显著的辅助频率调节服务，实现美国高达4 GW的现成调节储备，且对室内气候影响极小。该研究验证了一种控制方案，通过利用建筑系统的热惯性，增强电网频率稳定性。

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.

研究动机与目标

• 利用真实世界数据量化商业建筑HVAC系统可提供的辅助调节容量。
• 评估调节送风管静压对室内热舒适度和建筑气候的影响。
• 开发并测试一种利用建筑级灵活性提升电网频率调节性能的控制策略，超越传统自动发电控制（AGC）方法。
• 估算HVAC系统作为未来智能电网运行中灵活资源的全国规模潜力。
• 探索将建筑级灵活性整合到电网控制框架中的方法，以提升可靠性并促进可再生能源消纳。

提出的方法

• 使用加州大学伯克利分校校园建筑数据门户sMAP提供的实证数据，对一栋新建商业建筑的能耗进行建模。
• 通过调节送风管静压（SDSP）实现主送风风机的功率灵活性，开展了大规模实验。
• 设计了基于比例控制的方案，根据电网频率偏差调节辅助功率流动，饱和限制基于建筑可提供的灵活性。
• 在包含惯性、阻尼和自动发电控制（AGC）的时变负荷与发电的简化电力系统模型中，对控制策略进行仿真。
• 关键方程包括基于频率的辅助功率指令（P_anc），增益为Kp，以及饱和约束（P_anc_min 和 P_anc_max）。
• 通过比较三种情景下的频率响应来评估性能：无辅助服务、0.3 p.u. 和 0.6 p.u. 的辅助功率限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过SDSP调节，商业建筑HVAC风机可提供多少可测量的辅助调节容量？
• RQ2 通过风机控制实现的间歇性气流调节如何影响室内热环境和人员舒适度？
• RQ3 与基于传统AGC的控制相比，建筑级灵活性能否提升电网频率调节性能？
• RQ4 到2035年，商业建筑作为调节储备资源的全国规模潜力有多大？
• RQ5 如何利用建筑中的热惯性提供快速、响应迅速的辅助服务以增强电网稳定性？

主要发现

• 调节送风管静压可在不引起人体可察觉的室内气候变化的前提下，为HVAC风机带来功率灵活性。
• 本研究基于真实建筑数据估算，美国商业建筑可提供至少4 GW的调节储备。
• 预测显示，由于建筑电气化程度提高和楼宇能源管理系统（BEMS）的普及，到2035年该容量可能增至5.6 GW。
• 仿真结果表明，引入建筑来源的辅助功率流动可改善电网频率调节性能，且在更高可用功率水平下表现更优（0.6 p.u. vs. 0.3 p.u.）。
• 所提出的控制方案通过减少频率偏差，尤其在突发负荷变化时，增强了系统稳定性。
• 具有温控能力的负荷（TCLs），包括HVAC风机，可提供快速、响应迅速且可扩展的辅助服务，可与较慢的发电机调节形成互补。