Гибридная квази Z‑источниковая многовыходная преобразовательная система с управлением производительностью и верификацией в реальном времени для фотогальванической микросети

Эффективное электроснабжение домов — умнее, а не только мощнее

По мере того как всё больше домов устанавливает кровельные солнечные панели и подключает электронные устройства, им требуется электричество в разных формах: стабильный постоянный ток (DC) для электроники и аккумуляторов и переменный ток (AC) для бытовой сети. Сегодня это обычно означает установку нескольких громоздких преобразователей между панелями и розеткой. В этом исследовании представлена компактная «всё‑в‑одном» солнечная силовая коробка, которая может одновременно питать как DC, так и несколько линий AC, автоматически максимально извлекая энергию от солнца и поддерживая высокое качество электропитания.

Почему существующие солнечные установки теряют место и энергию

В типичной микросети панели, аккумуляторы и бытовые нагрузки связаны через несколько ступеней силовой электроники. Одно устройство повышает низкое напряжение с панелей, другое преобразует DC в AC, и добавляются дополнительные преобразователи, если требуются другие уровни напряжения или выходы. Каждая дополнительная коробка увеличивает стоимость, тепловые потери и занимаемое место. Многие современные схемы, стремящиеся упростить систему, по сути хорошо обслуживают только один тип выхода — обычно одну линию AC — оставляя потребности в DC или нескольких цепях за пределами этого решения. Эта проблема становится более острой по мере перехода домов и небольших сообществ к гибридным системам, питающим как локальные DC‑устройства, так и более широкую AC‑сеть.

Универсальная солнечная силовая коробка

Авторы предлагают гибридный преобразователь, который объединяет повышающий каскад, подачу DC и преобразование в AC в одной ступени. В его основе — усовершенствованная версия «квази Z‑источника», специальная сеть индуктивностей, конденсаторов, диодов и ключей, способная повышать или понижать напряжение с панелей по необходимости. Нововведение — добавленная ветвь со переключаемым конденсатором, которая улучшает коэффициент повышения напряжения и позволяет получить чистый, хорошо регулируемый DC‑выход непосредственно из сети, а не как побочный эффект. С того же повышенного звена два отдельных однофазных инверторных модуля после простой фильтрации генерируют независимые выходы AC. Конструкция модульна: к ней можно добавлять дополнительные блоки инверторов для питания дополнительных AC‑цепей или увеличения мощности без изменения базовой структуры.

Умное управление, разделяющее задачи DC и AC

Главная сложность в таком объединённом оборудовании — избежать конфликта между требованиями DC и AC. Авторы решают это с помощью метода управления, который даёт каждой стороне свою «ручку». Один управляющий параметр — коэффициент длительности режима shoot‑through — в основном задаёт повышенное DC‑напряжение; другой — индекс модуляции — устанавливает уровни выходного AC. Авторы математически показывают, что в практических пределах эти два регулятора можно настраивать независимо. Широко известный алгоритм слежения за максимальной мощностью — perturb‑and‑observe — медленно корректирует коэффициент длительности, чтобы панели работали в точке максимальной мощности при изменениях освещённости. Быстрее работающие внутренние контуры контролируют напряжение и ток AC, чтобы подаваемая в сеть мощность была в фазе с сетевым напряжением, сохраняя высокий коэффициент мощности и ограничивая искажения.

От компьютерных моделей до тестов в реальном времени

Чтобы проверить работоспособность идеи за пределами бумажных уравнений, команда сначала смоделировала 16‑киловаттную систему, рассчитанную на небольшой дом. При питании преобразователя от одной солнечной батареи они получили один стабильный DC‑выход и два AC‑выхода, все устойчивые даже при внезапных увеличениях или уменьшениях нагрузок на одной из сторон. Следующим шагом стала платформа hardware‑in‑the‑loop, имитирующая поведение в реальном времени. Там тоже, при изменении уровня освещённости или при резких шагах по нагрузке DC или AC, преобразователь держал напряжения близко к целевым значениям. Возмущения на одном выходе — например, внезапный скачок DC‑тока — не оказывали существенного влияния на другие AC‑выходы, подтверждая заявленную развязку на практике.

Что это значит для будущих солнечных микросетей

Проще говоря, эта работа показывает, что одна умно спроектированная коробка может заменить несколько традиционных преобразователей в солнечной микросети и при этом обеспечить чистые и независимо управляемые DC и множественные AC‑питания. Это может привести к более компактным установкам, снижению стоимости и меньшим потерям энергии для домов и сообществ, желающих активнее полагаться на кровельную фотоэлектрику. Авторы отмечают, что при масштабировании на более высокие уровни мощности потребуется тщательное внимание к теплоотводу, напряжениям на компонентах и эффективности, но архитектура в одну ступень и мощная схема управления делают дизайн перспективным для систем следующего поколения в жилых и микросетевых применениях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечная микросеть, гибридный преобразователь, квази Z‑источник, многовыходной инвертор, управление фотоэлектрической системой