Hybrydowy przetwornik o podwójnym wyjściu oparty na modułowym uniwersalnym przetworniku DC-AC/DC

Zasilanie domów i społeczności

Wraz z rosnącą liczbą domów, budynków i osiedli montujących panele słoneczne, magazyny energii i pojazdy elektryczne, potrzebne są inteligentne urządzenia potrafiące efektywnie przesyłać energię. Wiele przyszłych mikrosieci będzie miało obok siebie tradycyjne okablowanie prądu przemiennego (AC) oraz nowsze linie prądu stałego (DC). W tym badaniu przedstawiono nowy typ przetwornika mocy, który z jednego kompaktowego urządzenia może zasilać obwody AC i DC, upraszczając lokalne systemy energetyczne i czyniąc je bezpieczniejszymi oraz tańszymi.

Dlaczego zarówno AC, jak i DC są istotne

Większość dzisiejszych urządzeń i sieć publiczna korzystają z AC, lecz wiele źródeł odnawialnych i urządzeń elektronicznych pracuje naturalnie na DC. W domu lub mikrosieci często oznacza to stosowanie kilku oddzielnych przetworników w łańcuchu, by dopasować napięcia i przekształcić AC na DC lub odwrotnie. Każdy dodatkowy stopień zwiększa koszty, straty energii i złożoność. Jednocześnie Europa i inne regiony intensywnie dążą do ograniczenia emisji CO2 i wspierają lokalne „społeczności energetyczne”, gdzie ludzie dzielą się czystą energią. Trendy te napędzają zainteresowanie sieciami hybrydowymi przenoszącymi zarówno AC, jak i DC oraz elektroniką modułową, którą można ponownie wykorzystać i skalować wraz z rosnącymi potrzebami.

Jedno urządzenie zamiast dwóch

Tradycyjnie, zasilanie zarówno AC, jak i DC z panelu słonecznego lub akumulatora wymaga dwóch bloków: jednego przetwornika do podniesienia lub obniżenia napięcia DC oraz drugiego do zamiany DC na AC. Autorzy bazują na wcześniejszym pomyśle „uniwersalnego” przetwornika i przeprojektowali go tak, by jeden stopień mocy wykonywał obie funkcje jednocześnie. Urządzenie składa się z czterech identycznych bloków zwanych ogniwami typu buck-boost. Trzy ogniwa tworzą trzy fazy AC używane w budynku lub małej sieci, natomiast czwarte ogniwo utrzymuje poziom wyjścia DC na zadanej wartości. Sprytnie, przewód neutralny systemu AC jest połączony bezpośrednio z dodatnim biegunem wyjścia DC, dzięki czemu AC i DC współdzielą tę samą referencję elektryczną bez potrzeby masywnego transformatora izolacyjnego.

Jak zachowuje się nowy przetwornik

W każdym ogniwie szybkie przełączniki elektroniczne oraz małe cewki i kondensatory kształtują przepływ prądu, podwyższając lub obniżając napięcie w razie potrzeby. Trzy „AC” ogniwa generują gładkie przebiegi sinusoidalne nałożone na składową stałą DC, podczas gdy czwarte ogniwo utrzymuje poziom DC stabilnym. Dzięki wspólnemu punktowi neutralnemu odbiorniki AC widzą jedynie składową zmienną (tęporządkującą), natomiast odbiorniki DC otrzymują wartość stałą. Badacze przeprowadzili symulacje w realistycznych warunkach, a następnie zbudowali prototyp laboratoryjny. W testach pojedyncze źródło DC zasilało 1 kilowat mocy trójfazowej AC oraz 800 watów mocy DC jednocześnie. Napięcia AC pozostawały zrównoważone i niemal sinusoidalne, a wyjście DC utrzymywało się blisko wartości zadanej nawet przy nagłym włączaniu lub wyłączaniu obciążeń AC lub DC.

Bezpieczeństwo, uziemienie i niezawodność

Wybory dotyczące uziemienia mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa w systemach mieszanych AC i DC. W konwencjonalnych nieizolowanych podwójnych przetwornikach połączenie neutralnego AC i jednego bieguna DC z ziemią może niezamierzenie utworzyć pętlę pozwalającą na krążenie dużych prądów zwarciowych, dlatego projektanci zwykle dodają separację galwaniczną. W nowej konstrukcji neutral AC i dodatni biegun DC są fizycznie tym samym punktem, więc istnieje tylko jeden wewnętrzny węzeł związany z ziemią i brak ukrytej pętli. Eliminuje to potrzebę dodatkowego sprzętu izolującego, a także może zmniejszyć długoterminowe problemy z korozją związane z prądami równoległymi DC. Termowizja prototypu pokazuje, że najgorętszymi elementami są przełączniki mocy, co było oczekiwane, ale ich temperatury mieszczą się w bezpiecznych granicach i można je dodatkowo obniżyć przy lepszym chłodzeniu.

Co to oznacza dla przyszłych sieci

Badanie wykazuje, że modułowy przetwornik jednostopniowy może niezawodnie zasilać zarówno sieci AC, jak i DC z jednego źródła DC, zachowując czystość przebiegów i dobrą kontrolę napięć. Dla laika kluczowym przesłaniem jest to, że ten sam niewielki zestaw elektronicznych „cegiełek” można powtarzać i ponownie wykorzystywać do zasilania różnych rodzajów odbiorników w mikrosieci lub społeczności energetycznej. Redukuje to ilość sprzętu, upraszcza uziemienie i ochronę oraz może poprawić ogólną efektywność, unikając zbędnych etapów przekształcania. Po dodaniu zamkniętej pętli sterowania i synchronizacji z siecią takie przetworniki mogą stać się podstawowymi elementami przyszłych lokalnych systemów niskoemisyjnych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: hybrydowa mikrosieć, przetwornik mocy, dystrybucja AC DC, elektronika modułowa, systemy energii odnawialnej