Hybride converter met dubbele uitgang gebaseerd op de modulaire universele dc-ac/dc-omzetter

Stroom voor huizen en gemeenschappen

Naarmate meer woningen, gebouwen en buurten zonnepanelen, accu’s en elektrische voertuigen toevoegen, is er slimme hardware nodig die elektriciteit efficiënt kan verplaatsen. Veel toekomstige microgrids zullen zowel traditionele wisselstroom (ac) bekabeling als nieuwere gelijkstroom (dc) lijnen naast elkaar hebben. Deze studie presenteert een nieuw type stroomomzetter die zowel ac- als dc-circuits vanuit één compact apparaat kan voeden, waardoor lokale energiesystemen eenvoudiger, veiliger en betaalbaarder worden.

Waarom zowel ac als dc belangrijk zijn

De meeste huidige apparaten en het openbare net gebruiken ac, maar veel hernieuwbare bronnen en elektronische apparaten werken van nature met dc. In een huis- of gemeenschapsmicrogrid betekent dit vaak dat meerdere afzonderlijke omzetters in serie worden gebruikt om spanningen aan te passen en tussen ac en dc te schakelen. Elke extra schakelfase brengt kosten, energieverlies en complexiteit met zich mee. Tegelijkertijd zetten Europa en andere regio’s sterk in op CO2-reductie en stimuleren ze lokale “energiegemeenschappen” waar mensen schone stroom delen. Deze ontwikkelingen vergroten de interesse in hybride netwerken die zowel ac als dc voeren, en in modulaire elektronica die herbruikbaar en schaalbaar is naarmate de behoefte groeit.

Één kast in plaats van twee

Traditioneel vergt het voeden van zowel ac als dc vanuit een zonnepaneel of accu twee schakels: één omzetter om de dc-spanning te verhogen of verlagen, en een andere om dc naar ac om te zetten. De auteurs bouwen voort op een eerder idee van een “universele” omzetter en herontwerpen dit zodat één vermogensfase beide taken tegelijk kan uitvoeren. Hun apparaat bestaat uit vier identieke bouwstenen genaamd buck-boost-cellen. Drie cellen genereren de drie ac-fasen die een gebouw of klein net kan gebruiken, terwijl de vierde cel de dc-uitgang op een ingestelde waarde houdt. Slim opgelost is dat de nuldraad van het ac-systeem direct verbonden is met de positieve pool van de dc-uitgang, zodat ac en dc hetzelfde elektrische referentiepunt delen zonder een omvangrijke isolatietransformator.

Gedrag van de nieuwe omzetter

In elke cel vormen snelle elektronische schakelaars en kleine spoelen en condensatoren de stroom en verhogen of verlagen ze de spanning waar dat nodig is. De drie “ac”-cellen genereren vloeiende sinusoïdale golfvormen die op een dc-offset liggen, terwijl de vierde cel het dc-niveau stabiel houdt. Door het gedeelde nulpunt zien ac-belastingen alleen het rimpelgedeelte van de golf, terwijl dc-belastingen de constante waarde waarnemen. De onderzoekers simuleren de omzetter onder realistische omstandigheden en bouwen vervolgens een laboratoriumprototype. In tests voedt één dc-bron gelijktijdig 1 kilowatt driefasige ac-vermogen en 800 watt dc-vermogen. De ac-spanningen blijven in balans en bijna sinusoïdaal, en de dc-uitgang blijft dicht bij de streefniveau’s, zelfs wanneer ac- of dc-belastingen plotseling worden in- of uitgeschakeld.

Veiligheid, aarding en betrouwbaarheid

Keuzes rondom aarding zijn cruciaal voor de veiligheid in gemengde ac- en dc-systemen. Bij conventionele niet-geïsoleerde dubbele omzetters kan het verbinden van de ac-nul en één dc-pool met de aarde onbedoeld een lus creëren waardoor grote foutstromen gaan circuleren, waardoor ontwerpers meestal galvanische isolatie toevoegen. In het nieuwe ontwerp zijn de ac-nul en de positieve dc-pool fysiek hetzelfde punt, zodat er slechts één intern knooppunt aan aarde vastzit en geen verborgen lus ontstaat. Dit maakt extra isolatiehardware overbodig en kan ook langdurige corrosieproblemen door lekstroom naar dc verminderen. Thermische opnames van het prototype tonen dat de warmste onderdelen de vermogenschakelaars zijn, zoals verwacht, maar hun temperaturen blijven binnen veilige grenzen en kunnen verder verlaagd worden met verbeterde koeling.

Wat dit betekent voor toekomstige netten

De studie toont aan dat een modulaire enkelfasige omzetter betrouwbaar zowel ac- als dc-netten kan voeden vanuit één dc-bron, terwijl golfvormen schoon en spanningen goed geregeld blijven. Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat dezelfde kleine set elektronische “blokken” herhaald en hergebruikt kan worden om verschillende soorten belastingen in een microgrid of energiegemeenschap van stroom te voorzien. Dit vermindert hardware, vereenvoudigt aarding en bescherming, en kan de algehele efficiëntie verbeteren door extra omzettingsstappen te vermijden. Met gesloten lusregeling en net-synchronisatie kunnen dergelijke omzetters centrale bouwstenen vormen in toekomstige lokale, laag-koolstof energiesystemen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: hybride microgrid, stroomomzetter, AC DC-distributie, modulaire elektronica, hernieuwbare energiesystemen