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本科生毕业论文外文翻译
题 目 商业空调系统快速需求响应模型的开发与识别
毕 业 论 文（设 计）开 题 报 告
商业空调系统快速需求响应模型的开发与识别
Gary Goddard, Joseph Klose, and Scott Backhaus
摘要：对于快速需求响应（DR）应用，大型商业暖通空调系统（HVAC）是引人注目的目标，例如，集成时间间歇性可再生能源发电。现在，楼宇自动化系统（BAS）已经应用在大部分的建筑中，通过利用在楼宇自动化系统（BAS）中的通信技术，大型商用空调系统可以提供比聚集大量的小型住宅负载更容易获得的大的可控资源。然而，大型商业暖通空调系统的复杂之处在于有许多的变量、节点控制器和一些互相影响的内部控制回路。此外，现有的大型商业楼宇的机群也由于许多不同的空调系统和楼宇自动化系统（BAS）结构而显得多种多样。为了捕获这些楼宇作为需求响应（DR）的资源，需要一种可以大大降低暖通空调系统的需求响应控制复杂性的方法，并且这种方法为了更容易地应用在在现有楼宇的复杂机群中，需要足够的方便和灵活。我们创建了这样一个需求响应控制模型，它使用一个单一的状态变量，而不是在一个商业空调系统中使用几百个变量。这个模型只包括少量的系统参数，并且我们可以通过系统测量来确定定它们的正确性。最后，我们在一个大型商用空调系统中测试了我们的模型以探讨它的控制性能。
关键词：需求响应(DR)
Ⅰ绪论
需求响应（DR）通过尖峰调节和热备用改善了电力系统的性能和安全性。这些类型的需求响应负荷相对比较少见，一旦出现则通常被中断一个小时到几个小时。这些需求响应服务的重点一般都在大型工业和商业负载，这些负载可以提供足够大的利益去使专用通信和控制的成本[ 1 ]更加合理。随着公共事业对更多间歇性的可再生能源发电技术在其系统中的整合以及传统可控生产的废除，由于任何一个中断时间长度的变短，需求响应作用的频率将可预见地增加。这种新的分析方法将会使它难以为大型工业负载提供更快的并且连续可控的需求响应，这样的需求响应需要整合间歇性的可再生能源发电技术。
几种类型的分布式能源资源（DER）已经提出了这样快速的需求响应，包括分布式固定式电池储能[ 2 ]，插电式电动汽车[ 3 ]-[ 5 ]，电动住宅热水器[ 6 ]，或恒温控制负载（TCL）的住宅空间加热/冷却负荷[ 7 ] [ 10 ]。在一般情况下，这些负载可以承受相对频繁并且短暂的中断而不显着减少其最终使用性能。然而，相反的对于使用热备用和尖峰调节的大型工业和/或商业负载来说，这些分布式能源资源相对比较小，因此需要更大的投资去联系负荷聚集上来创造一个大的可控网络资源。
大型商用空调系统是占据了中间地带的另一种类型的TCL[ 11 ]。通过利用现有的在楼宇自动化系统（BAS）中的的通信，这些负载可以为每个公用事业通信链路提供数百千瓦的可控、快速的需求响应。建筑热容量通常是足够大，最终用户不会注意到这些频繁而短暂的中断。此外，许多大型商用空调系统的负荷是通过控制变频驱动器（VFD）使总的空调负荷几乎连续变化。然而，大型商业暖通空调还是拥有很多困难的挑战，这些挑战来自于复杂、重要的热力学与水动力对于冷却和/或热负荷大量的状态变量的耦合。
大量的研究集中在聚合许多小的单独控制开/关TCL，比如说居住空间的加热和冷却或者水的加热[ 6 ] -[ 10 ]。由于在TCL之间没有热力学耦合，每个TCL独立的发展和聚集是微不足道的，即，只有通过总功率消耗才可以计算。虽然热力学上独立，但是个体TCL周期之间往往十分相似。这样的结果是低维度的控制，比如说调温器设置的整体调节或者大量TCL的开关状态控制可以在独立TCL动态之间创建长时间的相互关系 [9], [10]。
这些长期存在的相互关系提供了新的挑战，包括开发和解决整体动力学模型，这个模型必要时可以捕捉这些相互关系并且计算控制输出。由此，几种方法正在实行，包括统计模型[ 7 ]，线性响应传递函数[ 9 ]，[ 10 ]，状态估计[ 12 ]，和确定性协议[ 8 ]。基于这一个工作主体，聚集许多小的住宅规模的TCL的相对快速灵活的需求响应似乎是可行的，但是，相比于尖峰调节和热备用的需求响应资源，公共事业和系统运营商更有可能首先考虑到更大的负载，这是由于他们在通信和可能更简单的性能验证和计费程序方面需要更少的投资。需求响应对于大型商业暖通空调系统来说是一个清晰而快速灵活的目标。
虽然大型商用空调系统的动力学可能是复杂的，我们仍然在寻找一个低维的控制，即一个最小数量的输入和输出，就可以准确控制总暖通空调能耗。我们也在寻求一种可以兼容大多数现有楼群的控制方案，相比于只考虑新建和重大改造的建筑来说，这可以提供一个更大的市场。这样的控制也可以大大简化实施过程和减少成本费用。
对于任何需求响应的努力，成功的关键是需求响应资源最终用途和用户的影响，因此，我们还寻求一种控制的实施方案，通过它可以测量和约束终端用户舒适度。全局温控器重置可以解决不是这些需求情况下的问题。在GTR中，大量恒温器在BAS中可以有效地“联动”，并且在暖通空调功率消耗中大的变化可以同时反映出来。GTR已经在其他需求响应研究[ 11 ]，[ 13 ]例如尖峰调节中被使用。这里，我们将探索它的在更快速的需求响应控制中的作用。
这篇文章的剩余部分如下。第二节简要介绍了大型商用空调的运作系统。第三节显示了一些我们需要在本文中研究的对于暖通空调系统的初步测量。第四节提出了大型商业暖通空调系统的功率消耗的统计模型和我们对于该模型参数的测定。第五节显示附加的测量来检验我们的统计模型的保真度。最后，第六节提出了结论和今后工作的方向。
Ⅱ暖通空调运行与控制
在第四章提出的需求响应系统及统计模型中做出了一些设计选择，理解这些选择需要对大型商业暖通空调系统的运行有一定了解。基于此，本节将详述这些系统的细节。
A.暖通空调控制系统
大型商业暖通空调系统的组成和结构是多种多样的。制冷机组既可以集中供应冷水到几个空气流通子系统，也可以通过与每个空气循环子系统连接的独立制冷机直接分配到拓展系统。空气循环回路可以对各个空调空间提供恒定体积的空气，进入各个空间的气流也可以通过变风量（VAV）单元就地控制。然而在最大规模的暖通空调系统中有许多系统有着多项普遍特征，如图1所示的主要是在冷却系统中的普遍特征。暖通空调系统主要包括两套循环系统，一套是冷却水循环系统（图中黑色标记），一套是空调空气循环系统（图中红色标记）。两套循环系统均由就地控制器（图中浅蓝色）控制。即使暖通空调系统中其他地方的热负荷发生变化，这些就地控制器也会保持相对恒定的条件。
图1 商业暖通空调系统冷却环节的示意图。水泵（图中黑色双圈）使冷水（图中黑线）从制冷机组中循环流入（逆时针）到几个独立的，并行的冷水暖气换热器。局部反馈回路（图中蓝色部分）通过调节循环泵下游侧冷水温度控制制冷机组。冷水暖气换热器通过一组独立的风扇（红色的双圈）强制空气进入空气循环系统（红线）冷却。风扇的速度是由本地环路（蓝色）控制，该环路调节供气管道中的静态压力。而每个空气循环系统中所供冷气的温度由另一个本地反馈回路控制，该回路通过相关联的换热器调节冷水的流动。每个循环回路中的冷气被分至多个变风量（VAV）控制器中，这些控制器使用局部反馈回路控制进入空调空间的冷却空气数量。使用全局温控器（GTR）控制变风量单元增加或减少进入空调空间的空气。循环风扇所消耗电能随暖通空调和控制系统变化，该效果即为电力需求侧响应。
1)冷却水循环：水泵（图中黑色双圈）使冷水（图中黑线）从制冷机组中循环流入到几个独立的，并行的冷水暖气换热器（图中逆时针回路）。换热器中的温水在流至制冷机组前，与循环水在回流管中混合。局部反馈回路（图中蓝色部分）通过调节循环泵下游侧冷水温度控制制冷机组。在大型暖通空调系统中，制冷机组包含多个独立制冷单元（1至5个或者更多），这些制冷单元均包含多个具有控制功能的压缩台。当制冷机组的热负荷变化时，输出端的冷水温度也随之变化。本地控制环可感应这种变化，如果温度变换很大，则调用压缩台进行补偿。如果制冷单元已经在最大（或最小）冷却功率下工作，则启用一个新制冷单元（或关闭该制冷单元）。为了避免制冷单元与控制器的损耗，反馈单元会用15分钟的时间做出调整。根据控制环中的水循环时间，系统中会有额外短暂延时。制冷器控制的离散性及控制时间滞后所要求需求响应时间的重叠部分使得相对于循环风扇的需求响应而言，制冷器输出的需求侧响应并不可靠。（下文详述）建议增加本地制冷器控制的延迟时间至30分钟（或比需求侧响应阶段长一点）。当制冷器用于适应环境较慢的变化或较慢尺度的需求侧响应信号时，它无法响应快速需求侧响应信号。不幸的是，在试验中不允许对制冷器机组做出这种变化。但是，楼宇自动化系统辅助计量允许区分这两种负荷，并专注于循环风扇的需求侧响应。
2)空调空气循环：空调空气循环回路的结构（如图1中红色所示）类似于水循环回路。如同暖气回流管，循环风扇控制暖气，就像水循环回路的冷水-暖气转换器。在大型暖通空调系统中，有3到10个并列的空气循环回路，每个回路都有自己的风扇与热转换器。供给的空气通过管道流入并行的变风量控制单元中（下文有介绍），变风量控制单元调节流过其所调节空间的空气量。制冷空气与调节空间中的空气混合，然后混合的暖气通过管道流回至暖气回流管。每个空气循环回路由两个本地反馈循环调节。“管道静态压力控制”（图1中蓝色“P-stat”控制循环）感知循环风扇下游供气管道中的空气压力并调节变频控制器使风扇能够位置恒定供气压力。该循环回路响应迅速，在扰动后1至2分钟内，将静态压力值恢复至其设定点。“供气温度控制”（图1中冷水-热空气转换器边上的蓝色“T-stat”控制循环）感知离开冷水-热空气转换器的空气温度并调节冷却水流动以维持恒定的空气温度。该循环回路比管道静态压力控制响应要慢一些，在扰动后几分钟内能够使供应空气的温度恢复至其设定点。两种循环的参考设定点都被用于在较慢时间尺度内的楼宇自动化系统控制（下文介绍）。
3)变风量控制：管道静态压力控制与供气温度控制的快速调节功能使各空调空间入口的温度与压力条件近似于恒定。在大型商业暖通空调系统中，每个空气循环回路可能有几十至上百个变风量单元，以至于每个制冷单元的端点控制器数量可达到几百到上千。每个变风量单元的本地控制回路感应空调空间的设定温度与供给空气温度的偏差，调节变风量单元中的连续可调阀的开启量x使一定量的的空调空气进入空调空间。 本地控制回路通常由一个比例和积分阶段组成，以实现精确控制，加快对快速变化的响应能力。
变风量的调节能力受一定约束条件限制。当x=100%，变风量空调系统的流动阻力限制了最大流量。此外，最小量新鲜空气须供应至每个空调空间。一般情况下，每个变风量单元的新鲜空气最小量x=20-30%。控制阀从最小开启量到全部开启需要约1分钟。
上文讨论了管道静态压力控制回路调节风扇出口压力。只要楼宇平均静态压力恒定，固定风扇出口压力同时也就固定了通过风扇的压力。因此，当一个变风量增加了空气流量，同样也会按比例增加风扇提供的流动力。即，通过风扇的流动力是流量的倍数。只要风扇效率恒定且在规定范围内，这种线性增加的风扇流体动能转换成一个线性增加的风扇电能。这种线性关系不同于通常流量的立方关系，原因是风扇增加的压力是不受控制的，且按近似流量的平方增加。
4)二次加热：简要说明在暖通空调系统冷却操作中的二次加热的潜在影响。如果楼宇温度不均衡，空调送风温度与最小变风量流动空气的组合会对某一特定区域提供过多的冷气。在该情形下，变风量二次加热启动，增加送风温度，在变风量单元中提供额外控制，降低制冷功率。该二次加热的能量可由小型热水气转换器或电暖器提供。实验中应用了热水气转换器并建立了模型，电加热器的模型将在将来的工作中研究。
5)静态压力重置：在更多复杂的楼宇自动化系统中，管道静态压力的参考设定值可以被重置，但是速度（15分钟）比典型的变风量控制或二次加热操作（1分钟）慢。为了影响这一控制，楼宇自动化系统定时查询每个变风量单元开启的百分比。如果所用连接到一个空气循环风扇的变风量单元开启量都小于90%，那么楼宇自动化系统将降低管道静态压力参考设定值从而提高整个空气循环系统的效率。此外，如果一个变风量单元开启量大于90%，楼宇自动化系统将提高管道静态压力的参考设定值，使得开启量最大的变风量单元的本地温度设定值得到满足。尽管设定值重置的情况会影响需求侧响应控制的精确性，在下文的暖通空调需求侧响应模型中没有考虑这种情况。
6)送风温度重置：同静态压力相类似，每个空气循环回路的送风温度参考设定值可能被楼宇自动化系统重置。重置的时间类似于管道静态压力重置（即15分钟），但是，在暖通空调系统之间，温度重置的算法有很大的不同。在我们研究的系统中，该控制与静态
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