Hybrydowy quasi Z‑source układ przetwornic wielowyjściowych z kontrolą wydajności i walidacją w czasie rzeczywistym dla mikrogridu fotowoltaicznego

Zasilanie domów mądrzej, nie tylko mocniej

Wraz z rosnącą liczbą domów wyposażonych w panele dachowe i podłączanych urządzeń elektronicznych potrzebna jest energia w różnych formach: stabilny prąd stały (DC) dla elektroniki i akumulatorów oraz prąd zmienny (AC) dla instalacji domowej. Obecnie zwykle oznacza to stos kilku dużych przetwornic pomiędzy panelami a gniazdkiem. W pracy tej przedstawiono kompaktową „wszystko‑w‑jednym” skrzynkę słoneczną, która może zasilać jednocześnie linie DC i wiele linii AC, jednocześnie automatycznie wydobywając jak najwięcej energii ze słońca i utrzymując wysoką jakość zasilania.

Dlaczego obecne instalacje fotowoltaiczne marnują miejsce i energię

W typowym mikrogridzie panele słoneczne, baterie i obciążenia domowe są połączone przez kilka etapów elektroniki mocy. Jedno urządzenie podnosi niskie napięcie z paneli, inne zamienia prąd stały na zmienny, a dodatkowe przetwornice dodaje się, gdy potrzebne są różne poziomy napięć lub wyjścia. Każda kolejna skrzynka zwiększa koszt, straty cieplne i rozmiar fizyczny. Wiele współczesnych rozwiązań, które próbują uprościć układ, i tak dobrze obsługuje zwykle tylko jeden rodzaj wyjścia — zwykle jedną linię AC — pozostawiając potrzeby DC lub wiele obwodów do obsługi w innym miejscu. Ta luka staje się poważniejsza w miarę, jak domy i małe społeczności przechodzą na systemy mieszane, które zasilają zarówno lokalne urządzenia DC, jak i szerszą sieć AC.

Wszechstronna skrzynka zasilająca

Autorzy proponują konwerter hybrydowy, który łączy podniesienie napięcia, zasilanie DC i konwersję AC w jednym etapie. W jego centrum znajduje się udoskonalona wersja sieci „quasi Z‑source”, szczególnego układu cewek, kondensatorów, diod i przełączników, która potrafi podnosić lub obniżać napięcie paneli w razie potrzeby. Nowością jest dodana gałąź ze przełączanym kondensatorem, która poprawia podbicie napięcia i pozwala uzyskać czyste, dobrze regulowane wyjście DC bezpośrednio z sieci, zamiast jako efekt uboczny. Z tego samego wzmocnionego ogniwa dwa oddzielne, jednofazowe moduły inwerterowe generują niezależne wyjścia AC po prostym filtrowaniu. Projekt jest modułowy: można dodawać kolejne bloki inwerterowe, aby obsługiwać dodatkowe obwody AC lub większe moce, bez zmiany podstawowej struktury.

Inteligentne sterowanie rozdzielające zadania DC i AC

Głównym wyzwaniem w takim zintegrowanym sprzęcie jest unikanie konfliktu między wymaganiami DC i AC. Badanie rozwiązuje to metodą sterowania, która daje każdej stronie własny „pokrętło”. Jedna zmienna sterująca, współczynnik wysterowania shoot‑through, głównie ustala wzmocnione napięcie DC; druga, indeks modulacji, ustawia poziomy wyjścia AC. Autorzy wykazują matematycznie, że w praktycznych granicach te dwa pokrętła można regulować niezależnie. Dobrze znany algorytm śledzenia punktu maksymalnej mocy, perturbacje i obserwacja (P&O), powoli koryguje współczynnik wysterowania, tak by panele pracowały tam, gdzie dostarczają maksymalną moc, nawet gdy zmienia się nasłonecznienie. Szybsze pętle wewnętrzne monitorują napięcie i prąd AC, tak aby moc dostarczana do sieci była w fazie z jej napięciem, zachowując dobry współczynnik mocy i ograniczając zniekształcenia.

Od modeli komputerowych do testów w czasie rzeczywistym

Aby sprawdzić, czy pomysł działa poza równaniami, zespół najpierw zasymulował system o mocy 16 kilowatów, dopasowany do małego domu. Przy pojedynczej instalacji słonecznej zasilającej konwerter uzyskali jedno mocne wyjście DC i dwa wyjścia AC, wszystkie utrzymujące stabilność nawet przy nagłym wzroście lub spadku obciążeń po jednej stronie. Kolejnym krokiem była platforma hardware‑in‑the‑loop, która naśladuje zachowanie w rzeczywistym czasie. Tam również, gdy badacze zmieniali poziomy nasłonecznienia lub gwałtownie zwiększali i zmniejszali obciążenia DC lub AC, konwerter utrzymywał napięcia blisko celu. Zakłócenia na jednym wyjściu — na przykład nagły skok prądu DC — nie wpływały znacząco na pozostałe wyjścia AC, potwierdzając w praktyce obiecywane rozdzielenie.

Co to oznacza dla przyszłych mikrogridów słonecznych

Mówiąc wprost, praca ta pokazuje, że jedno, inteligentnie zaprojektowane urządzenie może zastąpić kilka konwencjonalnych przetwornic w mikrogridzie zasilanym energią słoneczną, jednocześnie dostarczając czyste i niezależnie sterowane zasilanie DC oraz wielokrotne wyjścia AC. To może przełożyć się na mniejsze instalacje, niższe koszty i mniejsze straty energii dla domów i społeczności chcących w większym stopniu polegać na panelach dachowych. Autorzy zauważają, że skalowanie do wyższych mocy będzie wymagać uwagi względem odprowadzania ciepła, obciążeń elementów i sprawności, ale architektura jednego etapu i solidny schemat sterowania czynią projekt obiecującym dla aplikacji mieszkaniowych i mikrogridowych następnej generacji.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: mikrosieć słoneczna, konwerter hybrydowy, quasi Z‑source, przetwornica wielowyjściowa, sterowanie fotowoltaiczne