家用能源管理系統（HEMS）可智能調度來自電網、可再生能源、電池和電動汽車的電能，以提升供電韌性、降低用電成本并優化電力消耗。

本文要點

• 家用能源管理系統（HEMS）的功能，及其在分布式能源整體格局中的定位。

• HEMS 如何幫助降低成本、優化用電并提高電網穩定性。

• 雙向 HEMS 的獨特之處，以及工程師在測試與認證方面需要掌握的要點。

受電動汽車需求激增以及高功耗 AI 數據中心快速擴張的推動，全球電力消耗量正快速上升，年增幅約 4%。這種增長已將現有電網容量逼至極限，同時也讓本就緩慢復雜的電網新增電力設施審批流程變得更加繁瑣。要以必要的速度滿足這些需求，就必須對更智能的能源解決方案進行大規模、協同化的投資。

盡管業界已開發出多種新增能源資源并網的方案，但其中最具前景的方案之一便是家用能源管理系統（HEMS）。HEMS 旨在對電網、可再生能源、儲能電池以及電動汽車等負荷之間的能源進行智能調度，從而提升供電韌性、降低用電成本并優化電力消耗。具備雙向能量交互能力的 HEMS 可作為分布式能源資源主動參與電網穩定調節，同時為業主和公用事業單位創造新的價值。

圖 1 為 HEMS 的簡化模型。系統核心是住宅本身，通過家電、冷暖空調、照明、消費電子產品及其他所有用電負荷消耗電能。

在常規工況下，HEMS 的主要能源輸入來自電網。不過，可再生能源的集成已越來越普遍。住宅可配備太陽能光伏發電系統，提供單向電能輸入；部分家庭還會安裝小型風力發電系統。電動汽車同樣可作為能源來源：由于車載電池容量較大，它可通過車輛對負載（V2L）等技術向住宅回供電能。

同樣，家用固定式儲能電池可儲存富余電能 —— 無論是電網低谷時段的低價市電，還是來自可再生能源的電力 —— 并在停電等需要時向 HEMS 釋放電能。

HEMS 的功能與優勢

從本質上講，HEMS 是面向家庭的能源資源管理系統。其核心功能包括：

• 在電網停電時維持家庭用電，功能類似不間斷電源（UPS）。

• 存儲太陽能或風力系統產生的富余可再生能源電力。

• 將電動汽車電池作為能源資產加以利用，尤其在車輛長時間停放（如夜間）時。

• 通過最大化利用可再生能源、優化市電用電時段來降低電費支出。

• 支持分時電價（TOU）節電，主要在電價低谷時段從電網取電，電價高峰時段則使用儲能或可再生能源電力。

總而言之，現代 HEMS 不僅管理家庭用電，還在更廣泛的能源生態系統中扮演著日益積極的角色。在具備雙向能量交互能力、可參與電網支撐功能的情況下，這一作用尤為突出，詳見下文

雙向與非雙向 HEMS 有何區別？

HEMS 主要分為兩大類。

非雙向系統僅從電網取電，不向電網回送電能，因此不屬于分布式能源資源（DER）。由于并非 DER，這類系統無需滿足電網并網要求，也不必進行相關測試與認證。

第二類為雙向 HEMS 系統。這類系統在電力富余時可向電網回送電能，使業主有可能通過余電獲得收益。由于系統直接與電網交互，因此被歸類為 DER。作為分布式能源資源，雙向 HEMS 必須遵守相關電網規范、認證要求以及電網運營商的控制與協調協議。

若 HEMS 支持雙向功率流動，則必須完成完整的電網并網測試；不具備雙向能力的系統雖無需認證，但仍需進行功能測試。一旦系統可向電網反向送電，認證便成為強制要求。

HEMS 測試平臺架構

圖 2 展示了典型 HEMS 測試平臺的組成部分。黃色方框內的核心部分即為能源管理系統本身。待測 HEMS 包括：

• 逆變器，在雙向工作模式下作為 DER 運行；

• 斷路器面板，負責住宅內部所有交流電配電；

• 電表，作為 HEMS 與電網之間的接口。

在圖 2 所示測試平臺中，電網接口位于頂部。測試環境不會接入真實公用電網，工程師通常會使用可再生電網模擬器，這一點至關重要，因為設備需要支持雙向運行。電網模擬器在向 HEMS 供電時，從廠區電網取電并輸出模擬電網電能；在反向潮流測試等 HEMS 向外送電的場景下，模擬器必須吸收電能并將其回送至廠區電網。

這種可再生能力既能在測試過程中節約電能，又能讓模擬器呈現真實電網的阻抗特性與電網擾動，對功能測試和認證測試均必不可少。

測試平臺同時模擬住宅及其所有能源資源：

• 交流家用負荷：模擬家電、照明、空調等設備的用電消耗。

• 電動汽車接口：對于雙向 HEMS，包含電動汽車模擬器與電池模擬器，支持車輛充放電。電動汽車電池放電并向住宅回供電能的過程，稱為車到網（V2G）測試。

• 風力輸入模擬：通常由直流電源提供，因為風力發電機輸出在進入逆變器前一般為直流電。

• 家用電池模擬器：模擬固定式家用儲能系統，如特斯拉 Powerwall、LG 能源解決方案 RESU 系列、松下 EVERVOLT 家用電池、杰尼斯克 PWRcell 等。

• 光伏模擬器：模擬太陽能電池板的直流輸出，作為逆變器的輸入。

所有組件均由基于 PC 的控制與測量軟件統一協調，實現整體系統管理、通信與安全監控。

HEMS 測試類型

一套完整的 HEMS 測試方案通常包含四大類測試：

1. 基礎工程（臺架）測試

早期階段測試，工程師檢測逆變器電路、測量波形、驗證預期信號并確認電氣行為正常。

2. 設計驗證測試

系統級功能測試，驗證產品性能是否符合設計規格，例如確認效率指標，或確保逆變器在緊急 / 故障工況下能正常關斷。

3. 網絡安全測試

所有并網設備均需進行此項測試。系統必須具備強大的防護能力，抵御通信與控制層面的安全漏洞。

4. 電網并網（認證）測試

要求最為嚴格的測試類別，遵循 DER 認證所需的標準化測試方法。認證必須由 TüV、DEKRA、UL、CSA、天祥（Intertek）等國家認可實驗室（NRTL）完成。

HEMS 制造商需要提交產品進行正式評估與認證。此類流程成本較高，因此一次性通過尤為重要。制造商也可選擇在將產品送往 NRTL 之前，利用內部 HEMS 測試平臺先行完成預一致性測試。

即便內部測試平臺無法覆蓋全部認證測試項目，通過預認證測試也能大幅提升 HEMS 作為 DER 一次性通過正式認證的概率，避免反復、昂貴的送檢流程。

電池儲能系統（BESS）在其中扮演什么角色？

電池儲能系統（BESS）與 HEMS 實際上非常相似。畢竟，HEMS 的功能之一就是為住宅提供電池備用供電能力。BESS 的運行方式類似于住宅、樓宇乃至極少數情況下整個社區的大型 UPS。典型 BESS 的功能如下：

• 配備大型電池組

• 可選擇性接入風能或太陽能輸入

• 從電網充電

• 向住宅、商業或工業負載供應交流電

• 可向數據中心等應用供應直流電

• 在停電時維持樓宇運行，實際構成微電網

若電能僅從電網單向流入 BESS，則該系統不屬于 DER，無需認證；但如果系統雙向運行、向電網回送電能，則必須與 HEMS 一樣接受 DER 認證。

由電網直接擁有和運營的公用事業級 BESS 系統則適用不同規則。這類超大型系統無需通過 DER 認證，而是遵循電網運營商制定的專項要求。

構建更智能的電網

全球日益增長的能源需求正推動電網全面轉型。分布式能源資源（DER）是支撐這一轉型的關鍵，而 HEMS 則是 DER 中的重要品類。電網并網測試采用嚴格的標準化方法以完成認證。除認證外，HEMS 測試平臺還必須支持：

• 功能測試

• 性能與設計驗證測試

• 網絡安全測試

• 預一致性與認證準備測試

這就需要一套先進的測試環境，能夠模擬電網、家庭內部負荷以及其間所有環節，包括太陽能、風能等可再生能源，電動汽車充電樁等功率轉換器以及電池儲能系統。

同樣，電池儲能系統與微電網也需要類似的測試架構。隨著分布式能源資源持續規模化部署，這類測試能力對于確保其安全、可靠、合規地接入不斷發展的智能電網至關重要。