基于反饋控制和前饋控制的園區綜合能源系統管理

洪曄 劉聰

摘要：園區綜合能源系統（IES）管理需要對能源的生產、轉換、存儲和傳輸進行精確化、動態化的控制。本文以系統科學中的控制論為理論依據，提出了基于前饋控制與反饋控制的互補控制模型，以期提高lEs管理的效率。

關鍵詞：反饋控制 前饋控制 園區綜合能源系統

前言：2016年，國家發改委、國家能源局、工業和信息化部聯合發布了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》明確了我國綜合能源系統關鍵技術發展的思路。在此背景下，我國能源服務系統各部門正處于向以電能為核心、多能源協同的綜合能源體系轉型的時期。因此，對綜合能源系統進行科學的管理規劃，對于我國綜合能源應用的發展具有重要意義。而園區綜合能源系統的建設管理，恰恰是綜合能源應用全面化的縮影，也是近年來相關研究的前沿領域。

一、園區綜合能源系統概況

“園區”指由政府規劃建設的，空間、設施、能源等均能滿足從事某種特定行業生產或科學實驗需要的標準型建筑物群體，因此，通常所說的“園區”往往指產業園區。

園區綜合能源系統（Integrated Energy System，以下簡稱“IES”）指在特定園區內，根據其能源需要和儲備情況，優化配置各種傳統與新能源，同時結合各種能量產出、轉換、存儲和傳輸技術，為園區用戶提供冷、熱、電等能源產品的一套綜合系統。

不同類型的產業園區對綜合能源的需求也不盡相同。概括來說，工業園區對冷、熱、電能的需求量大且集中;高新科技園區的能源負荷密度高，對電能的需求最高;其他類型園區對能源的需求量相對較小，沒有特殊的能源類型需求。

IES建設是一個全面、復雜的工作，主要包括三個子系統，即系統域、能源域和工作域。其中系統域包括IES設備制造、通訊系統構建、數據處理與存儲技術等物理基礎;能源域包括各類型能源生產、轉換、儲存與傳輸技術;工作域包括lES規劃、多能協同控制和市場化交易等技術。其中工作域的核心任務之一就是要實現整個系統的運行控制，通過優化策略對IES的運行進行精確、動態的管理。要實現這一任務，就需要合理應用系統科學的知識。

二、反饋控制與前饋控制

反饋控制與前饋控制是系統科學的重要理論。系統科學始于1945年，由理論生物學家貝塔朗菲創始，由維納、申農等科學家完善而形成獨立學科。系統科學的主要觀點是：系統是動態的;對其管理的目的是保證系統能有給定的輸出狀態。

為實現對被控系統的控制，管理者需通過一系列行為使其以給定狀態、向給定目標運行，這些行為往往也需要通過一個系統來完成，因而形成了施控系統。在本文中，IES是被控系統，對IES實施反饋與前饋控制的系統則為施控系統。控制系統的一般結構方式如圖1：

其中H指系統各環節的變異度，即在系統運行的過程中各種影響因素造成的系統不穩定，其中H（Y）=H（x）+H（F）+H（z）。系統管理的核心問題即是施控系統如何根據被控系統運行中的偏差去調整系統行為，從而盡量將H（Y）降到最低。

反饋控制與前饋控制是兩種最基本控制方法。其中，反饋控制是施控系統根據被控系統輸出狀態的變化去調整被控系統的輸入，以調整和改變被控系統的輸出的過程：前饋控制是施控系統根據被控系統在未來運行中可能出現的偏差，提前調整被控系統的輸入，以避免被控系統在未來運行中可能出現的偏差的過程。

在實際應用中，反饋和前饋控制均存在一定局限性。其中反饋控制由于其延遲、滯后性質可能出現消極正、負反饋現象，前饋控制則可能由于預測不準導致調整不準的現象。因此，在系統控制的實際運用中，將反饋與前饋控制結合起來，形成互補的控制方法，可以盡量克服二者的缺陷，將系統偏差降到最低。對IES的控制管理也可以采用反饋與前饋控制結合的方式。

三、基于反饋控制與前饋控制的園區綜合能源系統管理

基于反饋控制與前饋控制對IES進行管理，主要思路是以基于能源生產和耗散預測的前饋控制為主，當出現實際需求與能源生產、分配不匹配時，再通過反饋控制進行調整。

如圖2所示，基于反饋與前饋控制的IES管理過程主要包括以下環節：

1.根據對系統的預測值，在時間點t1對系統輸入進行調整，在系統開始輸出的時間點t2使系統實際輸出為目標值y1：

2.系統保持輸出值y1.至時間點t3.系統需求變為y2（或發現系統實際需求應為y2）;

3.控制系統根據實際需要，在時間點t4調整系統輸入，至時間點t5將系統輸出值調整為y：。

t1至t3屬前饋控制階段，該階段的施控系統指令依據對系統的預測制定，其信息來源為基礎數據分析、運算與預測模型的建立;t4至t5屬反饋控制階段，其信息來源為對系統的實時監控。以上控制過程在多能協同的lEs中需通過建立多個施控子系統實現，將y1調整至y2的過程可通過系統產能、調用儲能或能源傳輸實現。

四、結論與展望

本文以系統科學為理論基礎，對反饋控制與前饋控制進行了互補式結合，提出了IES管理的一般控制模型。整個控制過程的目標應為在前饋控制階段盡可能減小預測誤差△Y，在反饋控制階段盡可能縮短時間延遲△t。

在未來的應用中，可結合大數據運算、智能能量管理等技術，通過一體化能源供應、能源衍生品交易等服務進一步提升園區能源的動態化靈活配置。