Mixed-integer model predictive control of variable-speed heat pumps
Mixed-integer model predictive control of variable-speed heat pumps
复制标题
变速热泵的混合整数模型预测控制
DOI：
10.1016/j.enbuild.2019.05.060
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发表时间：
2019
影响因子：
6.7
通讯作者：
Zhang, K. Max
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Lee, Zachary;Gupta, Kartikay;Kircher, Kevin J.;Zhang, K. Max
供暖和制冷建筑物造成了世界碳排放的很大一部分，而且这一部分还在不断增长。这些排放可以通过用高效的电热泵取代低效或化石燃料设备来减少。最近的研究表明，变速热泵（VSHP）还可以提供各种电力系统服务，例如基于价格或碳的负荷转移，峰值需求减少，紧急需求响应和频率调节。通过提供部分或全部这些服务，VSHP可以促进风能和太阳能发电融入电网，加速其他经济部门的脱碳。然而，提供电力系统服务提出了新的和具有挑战性的VSHP控制问题。模型预测控制（MPC）是解决这些问题的一种很有前途的方法。MPC结合了天气和负荷预测、在线优化以及VSHP在不同环境条件下性能的数学模型。除了少数例外，现有VSHP模型忽略了在实践中出现的两个重要特征：（1）效率和容量对压缩机速度和室内和室外温度的依赖性，以及（2）VSHP不能在低压缩机速度下操作。在本文中，我们开发了一个新的VSHP控制模型，考虑这两个功能。该模型将VSHP的功耗和产热表示为驱动温度和压缩机转速的仿射函数。该模型还包括一个二进制变量，该变量使用混合整数规划（MIP）约束VSHP关闭或在可接受的压缩机速度范围内运行。该VSHP模型和优化策略与MPC模拟中基于神经网络的热负荷预测相结合。这些模拟表明，相对于现有VSHP模型的MPC，这种方法可以将能源成本降低9-22%，碳排放量降低22%。
Heating and cooling buildings cause a large and growing portion of the world’s carbon emissions. These emissions could be reduced by replacing inefficient or fossil-fueled equipment with efficient electric heat pumps. Recent research has shown that variable-speed heat pumps (VSHPs) could also provide a variety of power system services, such as price- or carbon-based load shifting, peak demand reduction, emergency demand response, and frequency regulation. By providing some or all of these services, VSHPs could facilitate the integration of wind and solar power into the grid, accelerating decarbonization of other economic sectors. However, the provision of power system services poses new and challenging VSHP control problems. Model predictive control (MPC) is a promising approach to these problems. MPC combines weather and load predictions, online optimization, and a mathematical model of a VSHP’s performance under varying ambient conditions. With few exceptions, existing VSHP models neglect two important features that arise in practice: (1) dependence of efficiency and capacity on compressor speed and indoor and outdoor temperatures, and (2) inability of VSHPs to operate at low compressor speeds. In this paper, we develop a new VSHP control model that considers both features. The model expresses the VSHP’s power consumption and heat production as affine functions of the driving temperatures and compressor speed. The model also includes a binary variable that constrains the VSHP to be either turned off, or operating within a range of acceptable compressor speeds using mixed-integer programming (MIP). This VSHP model and optimization strategy is combined with neural network based heat load prediction in MPC simulations. These simulations suggest that this approach could reduce energy costs by 9–22% and carbon emissions by up to 22%, relative to MPC with existing VSHP models.
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