Duale Ausgangs-Hybridumrichter basierend auf dem modularen universellen DC-AC/DC-Wandler

Strom für Häuser und Gemeinschaften

Da immer mehr Häuser, Gebäude und Nachbarschaften Solarmodule, Batterien und Elektrofahrzeuge installieren, brauchen sie intelligente Hardware, die Elektrizität effizient verschieben kann. Viele künftige Mikronetze werden traditionelle Wechselstromverkabelung (AC) und neuere Gleichstromleitungen (DC) nebeneinander haben. Diese Studie stellt eine neue Art von Leistungswandler vor, der sowohl AC- als auch DC-Schaltungen aus einer kompakten Einheit speisen kann und damit lokale Energiesysteme einfacher, sicherer und kostengünstiger macht.

Warum sowohl AC als auch DC wichtig sind

Die meisten heutigen Geräte und das öffentliche Netz verwenden AC, doch viele erneuerbare Quellen und elektronische Geräte arbeiten naturgemäß mit DC. In einem Haus- oder Gemeinschafts-Mikronetz bedeutet das oft, mehrere separate Wandler in Reihe zu verwenden, um Spannungen anzupassen und zwischen AC und DC zu wechseln. Jede zusätzliche Stufe verursacht Kosten, Energieverluste und mehr Komplexität. Gleichzeitig treiben Europa und andere Regionen den Abbau von CO2-Emissionen und die Förderung lokaler „Energiegemeinschaften“ voran, in denen Menschen sauberen Strom teilen. Diese Trends fördern das Interesse an hybriden Netzen, die sowohl AC als auch DC führen, sowie an modularer Elektronik, die wiederverwendbar und skalierbar ist.

Eine Box statt zwei

Traditionell erfordert die Versorgung von AC und DC aus einem Solarpanel oder einer Batterie zwei Einheiten: einen Wandler, um die DC-Spannung zu erhöhen oder zu verringern, und einen weiteren, um DC in AC umzuwandeln. Die Autor:innen bauen auf der früheren Idee eines „universellen“ Wandlers auf und entwerfen ihn so um, dass eine Leistungsstufe beide Aufgaben gleichzeitig erledigen kann. Ihr Gerät besteht aus vier identischen Bausteinen, sogenannten Buck-Boost-Zellen. Drei Zellen erzeugen die drei AC-Phasen, die ein Gebäude oder ein kleines Netz nutzt, während die vierte Zelle die DC-Ausgangsspannung auf einem festen Niveau hält. Clevererweise ist der Neutralleiter des AC-Systems direkt mit der positiven Seite des DC-Ausgangs verbunden, sodass AC und DC denselben elektrischen Bezugspunkt teilen, ohne einen sperrigen Trenntransformator zu benötigen.

Wie sich der neue Wandler verhält

In jeder Zelle formen schnelle elektronische Schalter sowie kleine Spulen und Kondensatoren den Strom und stufen die Spannung bei Bedarf hoch oder herunter. Die drei „AC“-Zellen erzeugen glatte sinusförmige Wellenformen, die auf einem DC-Offset liegen, während die vierte Zelle den DC-Pegel stabil hält. Wegen des gemeinsamen Neutralpunkts sehen AC-Verbraucher nur den Wechselanteil der Welle, während DC-Verbraucher den gleichbleibenden Wert erhalten. Die Forschenden simulieren den Wandler unter realistischen Bedingungen und bauen anschließend einen Laborprototyp. In Tests versorgt eine einzelne DC-Quelle gleichzeitig 1 Kilowatt dreiphasige AC-Leistung und 800 Watt DC-Leistung. Die AC-Spannungen bleiben ausgeglichen und nahezu sinusförmig, und der DC-Ausgang bleibt nahe am Sollwert, selbst wenn AC- oder DC-Lasten plötzlich zu- oder abgeschaltet werden.

Sicherheit, Erdung und Zuverlässigkeit

Erdungsentscheidungen sind für die Sicherheit in gemischten AC- und DC-Systemen entscheidend. Bei herkömmlichen nicht isolierten Doppelwandlern kann das Verbinden von AC-Nullleiter und einem DC-Pol mit Erde unbeabsichtigt einen Kreis erzeugen, in dem große Fehlerströme fließen, weshalb Designer üblicherweise galvanische Trennung hinzufügen. Im neuen Design sind der AC-Nullleiter und der positive DC-Pol physisch derselbe Punkt, sodass nur ein interner Knoten an Erde liegt und keine versteckten Schleifen entstehen. Das macht zusätzliche Isolationshardware überflüssig und kann langfristig Korrosionsprobleme durch ungewollte DC-Ströme verringern. Thermografien des Prototyps zeigen, dass die heißesten Teile erwartungsgemäß die Leistungsschalter sind, ihre Temperaturen bleiben jedoch innerhalb sicherer Grenzen und könnten durch bessere Kühlung weiter gesenkt werden.

Was das für künftige Netze bedeutet

Die Studie zeigt, dass ein modularer einstufiger Wandler zuverlässig sowohl AC- als auch DC-Netze aus einer DC-Quelle versorgen kann und dabei saubere Wellenformen und gut geregelte Spannungen beibehält. Für Nichtfachleute ist die Kernaussage, dass dieselben kleinen elektronischen „Bausteine“ wiederholt und wiederverwendet werden können, um unterschiedliche Lasten in einem Mikronetz oder einer Energiegemeinschaft zu versorgen. Das reduziert Hardware, vereinfacht Erdung und Schutz und kann die Gesamteffizienz verbessern, indem zusätzliche Umwandlungsstufen vermieden werden. Mit geschlossener Regelung und Netzsynchronisation könnten solche Wandler zu zentralen Bausteinen künftiger kohlenstoffarmer lokaler Energiesysteme werden.

Zitation: Gutiérrez-Escalona, J., González-Antúnez, J.J., Roncero-Clemente, C. et al. Dual-output hybrid converter based on the modular universal dc-ac/dc converter. Sci Rep 16, 15203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45619-6

Schlüsselwörter: hybrides Mikronetz, Leistungswandler, AC-DC-Verteilung, modulare Elektronik, erneuerbare Energiesysteme