电子产品世界

家用能源管理系统（HEMS）可智能调度来自电网、可再生能源、电池和电动汽车的电能，以提升供电韧性、降低用电成本并优化电力消耗。

本文要点

• 家用能源管理系统（HEMS）的功能，及其在分布式能源整体格局中的定位。

• HEMS 如何帮助降低成本、优化用电并提高电网稳定性。

• 双向 HEMS 的独特之处，以及工程师在测试与认证方面需要掌握的要点。

受电动汽车需求激增以及高功耗 AI 数据中心快速扩张的推动，全球电力消耗量正快速上升，年增幅约 4%。这种增长已将现有电网容量逼至极限，同时也让本就缓慢复杂的电网新增电力设施审批流程变得更加繁琐。要以必要的速度满足这些需求，就必须对更智能的能源解决方案进行大规模、协同化的投资。

尽管业界已开发出多种新增能源资源并网的方案，但其中最具前景的方案之一便是家用能源管理系统（HEMS）。HEMS 旨在对电网、可再生能源、储能电池以及电动汽车等负荷之间的能源进行智能调度，从而提升供电韧性、降低用电成本并优化电力消耗。具备双向能量交互能力的 HEMS 可作为分布式能源资源主动参与电网稳定调节，同时为业主和公用事业单位创造新的价值。

图 1 为 HEMS 的简化模型。系统核心是住宅本身，通过家电、冷暖空调、照明、消费电子产品及其他所有用电负荷消耗电能。

在常规工况下，HEMS 的主要能源输入来自电网。不过，可再生能源的集成已越来越普遍。住宅可配备太阳能光伏发电系统，提供单向电能输入；部分家庭还会安装小型风力发电系统。电动汽车同样可作为能源来源：由于车载电池容量较大，它可通过车辆对负载（V2L）等技术向住宅回供电能。

同样，家用固定式储能电池可储存富余电能 —— 无论是电网低谷时段的低价市电，还是来自可再生能源的电力 —— 并在停电等需要时向 HEMS 释放电能。

HEMS 的功能与优势

从本质上讲，HEMS 是面向家庭的能源资源管理系统。其核心功能包括：

• 在电网停电时维持家庭用电，功能类似不间断电源（UPS）。

• 存储太阳能或风力系统产生的富余可再生能源电力。

• 将电动汽车电池作为能源资产加以利用，尤其在车辆长时间停放（如夜间）时。

• 通过最大化利用可再生能源、优化市电用电时段来降低电费支出。

• 支持分时电价（TOU）节电，主要在电价低谷时段从电网取电，电价高峰时段则使用储能或可再生能源电力。

总而言之，现代 HEMS 不仅管理家庭用电，还在更广泛的能源生态系统中扮演着日益积极的角色。在具备双向能量交互能力、可参与电网支撑功能的情况下，这一作用尤为突出，详见下文

双向与非双向 HEMS 有何区别？

HEMS 主要分为两大类。

非双向系统仅从电网取电，不向电网回送电能，因此不属于分布式能源资源（DER）。由于并非 DER，这类系统无需满足电网并网要求，也不必进行相关测试与认证。

第二类为双向 HEMS 系统。这类系统在电力富余时可向电网回送电能，使业主有可能通过余电获得收益。由于系统直接与电网交互，因此被归类为 DER。作为分布式能源资源，双向 HEMS 必须遵守相关电网规范、认证要求以及电网运营商的控制与协调协议。

若 HEMS 支持双向功率流动，则必须完成完整的电网并网测试；不具备双向能力的系统虽无需认证，但仍需进行功能测试。一旦系统可向电网反向送电，认证便成为强制要求。

HEMS 测试平台架构

图 2 展示了典型 HEMS 测试平台的组成部分。黄色方框内的核心部分即为能源管理系统本身。待测 HEMS 包括：

• 逆变器，在双向工作模式下作为 DER 运行；

• 断路器面板，负责住宅内部所有交流电配电；

• 电表，作为 HEMS 与电网之间的接口。

在图 2 所示测试平台中，电网接口位于顶部。测试环境不会接入真实公用电网，工程师通常会使用可再生电网模拟器，这一点至关重要，因为设备需要支持双向运行。电网模拟器在向 HEMS 供电时，从厂区电网取电并输出模拟电网电能；在反向潮流测试等 HEMS 向外送电的场景下，模拟器必须吸收电能并将其回送至厂区电网。

这种可再生能力既能在测试过程中节约电能，又能让模拟器呈现真实电网的阻抗特性与电网扰动，对功能测试和认证测试均必不可少。

测试平台同时模拟住宅及其所有能源资源：

• 交流家用负荷：模拟家电、照明、空调等设备的用电消耗。

• 电动汽车接口：对于双向 HEMS，包含电动汽车模拟器与电池模拟器，支持车辆充放电。电动汽车电池放电并向住宅回供电能的过程，称为车到网（V2G）测试。

• 风力输入模拟：通常由直流电源提供，因为风力发电机输出在进入逆变器前一般为直流电。

• 家用电池模拟器：模拟固定式家用储能系统，如特斯拉 Powerwall、LG 能源解决方案 RESU 系列、松下 EVERVOLT 家用电池、杰尼斯克 PWRcell 等。

• 光伏模拟器：模拟太阳能电池板的直流输出，作为逆变器的输入。

所有组件均由基于 PC 的控制与测量软件统一协调，实现整体系统管理、通信与安全监控。

HEMS 测试类型

一套完整的 HEMS 测试方案通常包含四大类测试：

1. 基础工程（台架）测试

早期阶段测试，工程师检测逆变器电路、测量波形、验证预期信号并确认电气行为正常。

2. 设计验证测试

系统级功能测试，验证产品性能是否符合设计规格，例如确认效率指标，或确保逆变器在紧急 / 故障工况下能正常关断。

3. 网络安全测试

所有并网设备均需进行此项测试。系统必须具备强大的防护能力，抵御通信与控制层面的安全漏洞。

4. 电网并网（认证）测试

要求最为严格的测试类别，遵循 DER 认证所需的标准化测试方法。认证必须由 TÜV、DEKRA、UL、CSA、天祥（Intertek）等国家认可实验室（NRTL）完成。

HEMS 制造商需要提交产品进行正式评估与认证。此类流程成本较高，因此一次性通过尤为重要。制造商也可选择在将产品送往 NRTL 之前，利用内部 HEMS 测试平台先行完成预一致性测试。

即便内部测试平台无法覆盖全部认证测试项目，通过预认证测试也能大幅提升 HEMS 作为 DER 一次性通过正式认证的概率，避免反复、昂贵的送检流程。

电池储能系统（BESS）在其中扮演什么角色？

电池储能系统（BESS）与 HEMS 实际上非常相似。毕竟，HEMS 的功能之一就是为住宅提供电池备用供电能力。BESS 的运行方式类似于住宅、楼宇乃至极少数情况下整个社区的大型 UPS。典型 BESS 的功能如下：

• 配备大型电池组

• 可选择性接入风能或太阳能输入

• 从电网充电

• 向住宅、商业或工业负载供应交流电

• 可向数据中心等应用供应直流电

• 在停电时维持楼宇运行，实际构成微电网

若电能仅从电网单向流入 BESS，则该系统不属于 DER，无需认证；但如果系统双向运行、向电网回送电能，则必须与 HEMS 一样接受 DER 认证。

由电网直接拥有和运营的公用事业级 BESS 系统则适用不同规则。这类超大型系统无需通过 DER 认证，而是遵循电网运营商制定的专项要求。

构建更智能的电网

全球日益增长的能源需求正推动电网全面转型。分布式能源资源（DER）是支撑这一转型的关键，而 HEMS 则是 DER 中的重要品类。电网并网测试采用严格的标准化方法以完成认证。除认证外，HEMS 测试平台还必须支持：

• 功能测试

• 性能与设计验证测试

• 网络安全测试

• 预一致性与认证准备测试

这就需要一套先进的测试环境，能够模拟电网、家庭内部负荷以及其间所有环节，包括太阳能、风能等可再生能源，电动汽车充电桩等功率转换器以及电池储能系统。

同样，电池储能系统与微电网也需要类似的测试架构。随着分布式能源资源持续规模化部署，这类测试能力对于确保其安全、可靠、合规地接入不断发展的智能电网至关重要。

关键词： 家用能源管理系统 测试