Hybrid-Quasi-Z-Source-Mehrfachausgangs-Wandler-System mit Leistungsregelung und Echtzeitvalidierung für photovoltaisches Mikrogrid

Häuser intelligenter versorgen, nicht nur stärker

Da immer mehr Haushalte Solarpaneele auf dem Dach installieren und elektronische Geräte anschließen, benötigen sie elektrische Energie in unterschiedlichen Formen: stabiles Gleichspannung (DC) für Elektronik und Batterien sowie Wechselspannung (AC) für das Haushaltsnetz. Heute bedeutet das meist, mehrere sperrige Leistungswandler zwischen den Paneelen und der Steckdose zu schalten. Diese Studie stellt eine kompakte "Alles‑in‑einem"-Solarbox vor, die gleichzeitig DC- und mehrere AC‑Leitungen speisen kann, dabei automatisch möglichst viel Energie aus der Sonne gewinnt und eine hohe Leistungsqualität aufrechterhält.

Warum aktuelle Solarsysteme Platz und Energie verschwenden

In einem typischen Mikrogrid sind Solarpaneele, Batterien und Haushaltslasten über mehrere Stufen von Leistungselektronik verbunden. Ein Gerät hebt die niedrige Spannung der Paneele an, ein anderes wandelt DC in AC um, und zusätzliche Wandler werden hinzugefügt, wenn weitere Spannungsstufen oder Ausgänge benötigt werden. Jede zusätzliche Einheit erhöht Kosten, Wärmeverluste und Volumen. Viele moderne Entwürfe, die vereinfachen sollen, bedienen am Ende dennoch meist nur eine Art von Ausgang — in der Regel eine einzelne AC‑Leitung — während DC‑Bedürfnisse oder mehrere Stromkreise anderswo gehandhabt werden müssen. Diese Lücke wird gravierender, wenn Haushalte und kleine Gemeinden zu hybriden Systemen übergehen, die sowohl lokale DC‑Geräte als auch das größere AC‑Netz versorgen.

Eine Alles‑in‑einem-Solarbox

Die Autoren schlagen einen Hybridwandler vor, der Anhebung, DC‑Versorgung und AC‑Umwandlung in einer einzigen Stufe vereint. Im Zentrum steht eine verfeinerte Version eines "quasi Z‑source"-Netzwerks, eine spezielle Anordnung aus Induktivitäten, Kondensatoren, Dioden und Schaltern, die die Paneelspannung bei Bedarf anheben oder absenken kann. Die Neuerung ist ein hinzugefügter geschalteter Kondensatorzweig, der die Spannungsanhebung verbessert und einen sauberen, gut geregelten DC-Ausgang direkt aus dem Netzwerk ermöglicht, statt ihn als Nebenwirkung zu entnehmen. Aus dem gleichen hochgeregelten Zwischenkreis erzeugen zwei separate einphasige Wechselrichtermodule nach einfacher Filterung unabhängige AC‑Ausgänge. Das Design ist modular: Weitere Wechselrichterblöcke können hinzugefügt werden, um zusätzliche AC‑Kreise oder höhere Leistungen zu versorgen, ohne die Grundstruktur zu ändern.

Intelligente Regelung, die DC‑ und AC‑Aufgaben trennt

Eine große Herausforderung bei kombinierter Hardware ist es, Rangkämpfe zwischen DC‑ und AC‑Anforderungen zu vermeiden. Die Studie begegnet dem mit einer Regelungsmethode, die jeder Seite ihren eigenen "Regler" gibt. Eine Regelgröße, das Shoot‑Through‑Tastverhältnis, stellt hauptsächlich die hochgeregelte DC‑Spannung ein; die andere, der Modulationsindex, legt die AC‑Ausgangspegel fest. Die Autoren zeigen mathematisch, dass sich diese beiden Stellgrößen innerhalb praktischer Grenzen unabhängig voneinander anpassen lassen. Ein bekanntes Nachführverfahren, das Perturb-and-Observe Maximum-Power-Point-Tracking, justiert das Tastverhältnis langsam, sodass die Paneele dort arbeiten, wo sie die maximale Leistung liefern, selbst wenn sich die Sonneneinstrahlung ändert. Schnellere innere Regelkreise überwachen AC‑Spannung und -Strom, sodass die in das Netz eingespeiste Leistung mit der Netzspannung in Phase bleibt, eine gute Leistungsfaktorkorrektur erzielt wird und Verzerrungen begrenzt bleiben.

Von Computermodellen zu Echtzeittests

Um zu prüfen, ob die Idee über Gleichungen auf dem Papier hinaus funktioniert, simulierte das Team zunächst ein 16‑Kilowatt‑System, ausgelegt für ein kleines Haus. Mit einem einzigen Solarmodul, das den Wandler speist, erhielten sie einen starken DC‑Ausgang und zwei AC‑Ausgänge, die alle stabil blieben, selbst wenn die Lasten auf einer Seite plötzlich erhöht oder verringert wurden. Der nächste Schritt nutzte eine Hardware‑in‑the‑Loop‑Plattform, die das Verhalten der realen Welt in Echtzeit nachbildet. Auch dort hielten bei wechselnder Sonneneinstrahlung oder abrupten Änderungen der DC‑ bzw. AC‑Lasten die Spannungen die Zielwerte konstant. Störungen an einem Ausgang — etwa ein plötzlicher Anstieg des DC‑Stroms — beeinträchtigten die anderen AC‑Ausgänge nicht wesentlich und bestätigten damit die versprochene Entkopplung in der Praxis.

Was das für zukünftige Solar‑Mikrogrid bedeutet

Kurz gesagt zeigt diese Arbeit, dass eine einzige, intelligent gestaltete Box mehrere konventionelle Wandler in einem solarbetriebenen Mikrogrid ersetzen kann, während sie dennoch saubere und unabhängig geregelte DC‑ und mehrere AC‑Versorgungen liefert. Das kann zu kleineren Installationen, geringeren Kosten und weniger Energieverlusten führen für Haushalte und Gemeinden, die stärker auf Dachsolarstrom setzen wollen. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Skalierung auf höhere Leistungen sorgfältige Berücksichtigung von Wärme, Bauteilbelastung und Effizienz erfordert, doch die Ein-Stufen‑Architektur und das leistungsfähige Regelkonzept machen das Design vielversprechend für die nächste Generation von Wohn‑ und Mikrogrid‑Anwendungen.

Zitation: Deori, P., Ahmad, A. & Routray, A. Hybrid quasi Z source multi output converter system with performance control and real time validation for photovoltaic microgrid. Sci Rep 16, 6255 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35817-7

Schlüsselwörter: Solar-Mikrogrid, Hybridwandler, Quasi-Z-Source, Mehrfachausgangswechselrichter, Photovoltaikregelung