基于反馈控制和前馈控制的园区综合能源系统管理

洪晔 刘聪

摘要：园区综合能源系统（IES）管理需要对能源的生产、转换、存储和传输进行精确化、动态化的控制。本文以系统科学中的控制论为理论依据，提出了基于前馈控制与反馈控制的互补控制模型，以期提高lEs管理的效率。

关键词：反馈控制 前馈控制 园区综合能源系统

前言：2016年，国家发改委、国家能源局、工业和信息化部联合发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》明确了我国综合能源系统关键技术发展的思路。在此背景下，我国能源服务系统各部门正处于向以电能为核心、多能源协同的综合能源体系转型的时期。因此，对综合能源系统进行科学的管理规划，对于我国综合能源应用的发展具有重要意义。而园区综合能源系统的建设管理，恰恰是综合能源应用全面化的缩影，也是近年来相关研究的前沿领域。

一、园区综合能源系统概况

“园区”指由政府规划建设的，空间、设施、能源等均能满足从事某种特定行业生产或科学实验需要的标准型建筑物群体，因此，通常所说的“园区”往往指产业园区。

园区综合能源系统（Integrated Energy System，以下简称“IES”）指在特定园区内，根据其能源需要和储备情况，优化配置各种传统与新能源，同时结合各种能量产出、转换、存储和传输技术，为园区用户提供冷、热、电等能源产品的一套综合系统。

不同类型的产业园区对综合能源的需求也不尽相同。概括来说，工业园区对冷、热、电能的需求量大且集中;高新科技园区的能源负荷密度高，对电能的需求最高;其他类型园区对能源的需求量相对较小，没有特殊的能源类型需求。

IES建设是一个全面、复杂的工作，主要包括三个子系统，即系统域、能源域和工作域。其中系统域包括IES设备制造、通讯系统构建、数据处理与存储技术等物理基础;能源域包括各类型能源生产、转换、储存与传输技术;工作域包括lES规划、多能协同控制和市场化交易等技术。其中工作域的核心任务之一就是要实现整个系统的运行控制，通过优化策略对IES的运行进行精确、动态的管理。要实现这一任务，就需要合理应用系统科学的知识。

二、反馈控制与前馈控制

反馈控制与前馈控制是系统科学的重要理论。系统科学始于1945年，由理论生物学家贝塔朗菲创始，由维纳、申农等科学家完善而形成独立学科。系统科学的主要观点是：系统是动态的;对其管理的目的是保证系统能有给定的输出状态。

为实现对被控系统的控制，管理者需通过一系列行为使其以给定状态、向给定目标运行，这些行为往往也需要通过一个系统来完成，因而形成了施控系统。在本文中，IES是被控系统，对IES实施反馈与前馈控制的系统则为施控系统。控制系统的一般结构方式如图1：

其中H指系统各环节的变异度，即在系统运行的过程中各种影响因素造成的系统不稳定，其中H（Y）=H（x）+H（F）+H（z）。系统管理的核心问题即是施控系统如何根据被控系统运行中的偏差去调整系统行为，从而尽量将H（Y）降到最低。

反馈控制与前馈控制是两种最基本控制方法。其中，反馈控制是施控系统根据被控系统输出状态的变化去调整被控系统的输入，以调整和改变被控系统的输出的过程：前馈控制是施控系统根据被控系统在未来运行中可能出现的偏差，提前调整被控系统的输入，以避免被控系统在未来运行中可能出现的偏差的过程。

在实际应用中，反馈和前馈控制均存在一定局限性。其中反馈控制由于其延迟、滞后性质可能出现消极正、负反馈现象，前饋控制则可能由于预测不准导致调整不准的现象。因此，在系统控制的实际运用中，将反馈与前馈控制结合起来，形成互补的控制方法，可以尽量克服二者的缺陷，将系统偏差降到最低。对IES的控制管理也可以采用反馈与前馈控制结合的方式。

三、基于反馈控制与前馈控制的园区综合能源系统管理

基于反馈控制与前馈控制对IES进行管理，主要思路是以基于能源生产和耗散预测的前馈控制为主，当出现实际需求与能源生产、分配不匹配时，再通过反馈控制进行调整。

如图2所示，基于反馈与前馈控制的IES管理过程主要包括以下环节：

1.根据对系统的预测值，在时间点t1对系统输入进行调整，在系统开始输出的时间点t2使系统实际输出为目标值y1：

2.系统保持输出值y1.至时间点t3.系统需求变为y2（或发现系统实际需求应为y2）;

3.控制系统根据实际需要，在时间点t4调整系统输入，至时间点t5将系统输出值调整为y：。

t1至t3属前馈控制阶段，该阶段的施控系统指令依据对系统的预测制定，其信息来源为基础数据分析、运算与预测模型的建立;t4至t5属反馈控制阶段，其信息来源为对系统的实时监控。以上控制过程在多能协同的lEs中需通过建立多个施控子系统实现，将y1调整至y2的过程可通过系统产能、调用储能或能源传输实现。

四、结论与展望

本文以系统科学为理论基础，对反馈控制与前馈控制进行了互补式结合，提出了IES管理的一般控制模型。整个控制过程的目标应为在前馈控制阶段尽可能减小预测误差△Y，在反馈控制阶段尽可能缩短时间延迟△t。

在未来的应用中，可结合大数据运算、智能能量管理等技术，通过一体化能源供应、能源衍生品交易等服务进一步提升园区能源的动态化灵活配置。