一种针对电动汽车在频率辅助服务中应用的改进型SoC（片上系统）满意度评估方法

《Journal of Energy Storage》：An improved SoC satisfaction method for EVs in frequency ancillary services

电动汽车参与电网调频服务时需平衡荷电状态（SoC）与经济效益，现有方法难以兼顾SoC达标与市场合规性。本文提出融合提前SoC恢复与强制充电的双阶段优化策略，通过动态调整充电功率与调频功率的协同机制，确保用户SoC需求并提升收益。仿真验证表明该方法在100辆电动汽车场景下，SoC达标率100%，经济收益较传统方法提高18.7%，且满足30秒级FCR响应要求。

　　
随着全球对碳中和目标的重视，电动汽车（EV）的普及率持续攀升。根据行业预测，2024年全球EV销量将突破1700万辆，占新车销售总量的五分之一以上。这种能源转型不仅受到欧盟2030年30%零排放车辆部署目标的推动，更与联合国可持续发展议程中加速可再生能源渗透的战略紧密关联。然而，EV的规模化应用对电网稳定性提出了全新挑战：电动汽车夜间集中充电导致的负荷激增、高比例可再生能源接入引发的电网频率波动等问题，都要求电力系统寻找创新解决方案。

在电网辅助服务领域，车辆到电网（V2G）技术展现出独特价值。通过参与频率调节储备（FCR）等辅助服务，EV不仅能提升电网稳定性，还能通过市场交易获得额外收益。但实际应用中面临关键矛盾：用户始终将满足出行续航需求作为首要目标，而参与FCR服务可能因突发调节需求导致电池荷电状态（SoC）异常波动。这种续航焦虑不仅影响用户体验，更可能造成电网服务供应不足，形成双重风险。

现有研究多聚焦于单一维度的优化，导致实际应用中的矛盾难以调和。部分方法通过固定比例充电策略（如半功率充电模式）在SoC保障与FCR参与间取得平衡，但这种刚性方案会牺牲15%-30%的经济收益。另一些实时调整策略虽能动态优化充电功率，却因缺乏对FCR市场规则的深度适配，常导致服务违约 penalties。值得关注的是，当前研究普遍存在两大缺陷：首先，过度依赖集中式优化模型，难以适应分布式EV的实时动态特性；其次，在满足SoC约束的同时，对电网服务规则（如FCR的30秒快速响应要求）缺乏系统性考量。

针对上述问题，研究团队创新性地提出双阶段协同控制策略。该方案通过构建"动态调节-强制补能"的递阶控制机制，在保证用户续航需求的前提下实现经济收益最大化。核心创新点体现在两个关键环节：其一，开发基于预测性分析的早期SoC恢复技术。当检测到电网可能触发频率调节需求时，系统提前启动反向充电模式，在满足电网需求的同时将电池SoC维持在安全阈值以上。这种"先发制人"的策略有效规避了传统方法中因突发调节导致的SoC骤降风险，经仿真验证可将最低SoC门槛从60%提升至85%。其二，建立智能化的强制充电触发机制。通过实时监测剩余充电时间与电池容量状态，当预测到达时间与强制充电窗口存在重叠时，系统自动切换至全功率充电模式，确保电池在服务终止前完成充分充电。

该方法的显著优势在于其动态适应性。通过整合历史数据、实时电网信号和用户出行计划，系统能够在毫秒级时间内调整充电策略。实验采用标准20kW三相充电设备，模拟100辆EV在典型工作日（日均充电时长6-8小时）的运行场景。对比传统方法，新方案在SoC达标率上提升42%，同时将经济收益提高18%-22%。特别是在电网频率波动频繁时段，通过智能预判调节充电功率，成功将服务中断率降低至0.3%以下，显著优于行业平均水平的5.2%。

在技术实现层面，研究团队设计了双闭环控制系统。外环通过机器学习算法预测次日电网负荷曲线，内环实时调整充电功率。这种分层架构既保证了系统对快速变化的电网频率波动的响应速度，又通过长期预测优化了整体运行效率。值得关注的是，系统创新性地引入"服务响应系数"参数，可根据电网FCR市场的实时价格波动，动态调整服务参与的优先级。当市场价高于基础收益阈值时，系统自动增加参与时长；当价格低于临界值时，则优先保障用户续航需求。

仿真环境基于Nordic市场FCR规则构建，重点验证了方案在极端工况下的鲁棒性。测试数据显示，在可再生能源出力波动超过40%的情况下，系统仍能保持92%以上的SoC达标率。经济收益方面，通过精确计算服务参与窗口期，使单位EV的收益波动幅度从传统方法的±18%压缩至±5%以内。特别是在电网频率偏移超过1Hz的紧急工况下，系统成功将服务响应时间缩短至28秒（行业标准为45秒），同时将电池损耗率控制在0.15%/次循环，较现有方案降低60%。

该研究为V2G技术商业化应用提供了重要参考。其核心价值在于建立"电网服务-用户需求"的双向平衡机制，既满足电网对快速响应能力的要求，又保障用户的核心使用体验。未来技术延伸方向包括：1）融合区块链技术实现点对点服务交易；2）开发基于数字孪生的预测模型提升决策精度；3）构建多目标优化框架整合碳交易收益。这些延伸方向将为EV参与电网服务创造更广泛的经济价值空间。

在实施路径上，建议分三个阶段推进：初期可重点优化现有充电桩的控制系统，通过加装智能电表和边缘计算设备实现基础功能升级；中期需要与电网运营商合作开发接口协议，确保服务参与与用户隐私保护的合规性；长期则要推动政策制定者完善市场机制，建立差异化的FCR服务定价模型，激励更多EV加入辅助服务市场。这种渐进式演进既能降低技术实施风险，又能逐步释放市场潜力。

研究团队特别强调技术落地的三个关键支撑要素：首先，充电基础设施需要升级为支持双向智能调度的4G/5G兼容设备；其次，电网需要部署分布式频率调节节点，以提升局部响应能力；最后，监管机构应建立统一的服务认证体系和风险补偿机制。只有当技术、基础设施和政策三方面协同发展，才能真正实现EV从交通工具向能源互联网节点的转型。

该研究成果已通过多个国家的电网压力测试，包括欧洲、北美和东南亚主要市场的典型电网结构。实际部署中，某试点项目在参与FCR服务的同时，用户续航达成率从78%提升至95%，年收益增加达12%。这些数据验证了理论模型的实用价值，为后续大规模推广奠定了技术基础。未来研究将重点突破寒区电池低温性能衰减、充电桩负荷均衡等实际问题，推动V2G技术向更广泛的应用场景拓展。