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光伏发电技术
★ 5.0
用于含太阳能光伏和CTA-2045控制的配电系统的智能家居暖通空调数字孪生机器学习元模型
Smart Home HVAC Digital Twin ML Meta-Model for Electric Power Distribution Systems With Solar PV and CTA-2045 Controls
| 作者 | Rosemary E. Alden · Evan S. Jones · Steven B. Poore · Dan M. Ionel |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 建筑建模 混合机器学习模型 HVAC负荷计算 广义存储设备 虚拟电厂控制 |
语言:
中文摘要
建筑建模,特别是供暖、通风和空调(HVAC)负荷及等效储能计算,是建筑脱碳和智能电网控制的关键关注点。本文提出了一种超快的、具有一分钟分辨率的混合机器学习模型(HMLM),这是基于物理的住宅智能家居替代建模领域的一项新贡献。通过机器学习(ML)元建模对具有可编辑参数的白盒模型(即数字孪生模型)进行仿真,可替代广泛开展的实验性大数据收集工作。HMLM采用k - 均值聚类与多元线性回归(MLR)相结合的方法,对逐分钟的HVAC功率进行仿真,在全年测试集中的归一化均方根误差(nRMSE)令人满意地控制在10%以内。本文还介绍了一种将HVAC系统表征为广义储能(GES)设备的方法,以便按照行业通信技术协会(CTA)2045协议和能源之星指标,统一家用电器和虚拟电厂(VPP)的控制。在住宅案例研究中,采用了田纳西河谷管理局(TVA)管理的三座现有智能家居经实验校准的EnergyPlus模型的合成输出数据,并对该模型在数百座住宅中的大规模应用进行了讨论。
English Abstract
Building modeling, specifically heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) load and equivalent energy storage calculations, represent a key focus for decarbonization of buildings and smart grid controls. In this paper, an ultra-fast one-minute resolution Hybrid Machine Learning Model (HMLM) is proposed as part of a novel contribution in the field of residential physics-based smart home surrogate modeling. Emulation of white box models, or digital twins, with editable parameters through machine learning (ML) meta-modeling serves as an alternative to wide-spread experimental Big Data collection. The HMLM employs combined k-means clustering with multiple linear regression (MLR) to emulate minutely HVAC power timestep-to-timestep with satisfactory nRMSE error of less than 10% across an entire year test set. An approach is also described to characterize HVAC systems as generalized storage (GES) devices to unify household appliance and virtual power plant (VPP) controls in accordance with industry Communication Technology Association (CTA) 2045 protocol and Energy Star metrics. Synthetic output data from experimentally calibrated EnergyPlus models for three existing smart homes managed by the Tennessee Valley Authority (TVA) is employed in residential case studies and a discussion provided for the large-scale application to hundreds of homes.
S
SunView 深度解读
从阳光电源智慧能源解决方案的业务视角来看,这篇论文提出的智能家居HVAC数字孪生元模型具有重要的战略参考价值。该研究通过混合机器学习模型实现了分钟级高精度HVAC负荷预测,其核心技术路径与我司在源网荷储一体化系统中的需求高度契合。
**业务协同价值**:论文将HVAC系统建模为广义储能设备(GES)并遵循CTA-2045行业协议,这与阳光电源的储能系统及虚拟电厂(VPP)控制策略形成天然互补。我司的光储一体化解决方案可借鉴此模型,实现光伏发电与建筑负荷的精准匹配。特别是在户用光储系统中,通过数字孪生技术预测HVAC负荷曲线,能够优化储能系统的充放电策略,提升自发自用比例,降低电网交互成本。
**技术成熟度评估**:该模型基于物理白盒模型的数据驱动仿真,采用k-means聚类与多元线性回归的组合方法,年度预测误差控制在10%以内,技术路径相对成熟且计算效率高。但其依赖EnergyPlus等仿真工具的标定数据,在大规模应用时需要建立区域化的建筑特征数据库。
**应用机遇与挑战**:对于阳光电源而言,该技术可嵌入智慧能源管理平台,赋能iSolarCloud等云平台实现更精细的需求侧响应。挑战在于不同气候区域、建筑类型的模型泛化能力,以及与我司现有BMS、EMS系统的接口标准化。建议开展联合研究,将此类数字孪生技术整合到阳光电源的全场景能源管理解决方案中,强化在C端市场的差异化竞争力。