Гибридный преобразователь с двойным выходом на основе модульного универсального DC–AC/DC-преобразователя

Электричество для домов и сообществ

По мере того как в домах, зданиях и районах устанавливают все больше солнечных панелей, аккумуляторов и электромобилей, требуется интеллектуальное оборудование, способное эффективно перераспределять энергию. Многие будущие микросети будут иметь одновременно традиционную проводку переменного тока (AC) и новейшие линии постоянного тока (DC). В этой работе представлен новый тип силового преобразователя, который может питать как цепи AC, так и DC из одного компактного блока, помогая местным энергетическим системам становиться проще, безопаснее и дешевле.

Почему важны и AC, и DC

Большинство бытовых приборов и общая сеть работают на переменном токе, но многие возобновляемые источники и электронные устройства по своей природе используют постоянный ток. В доме или микрорайонной микросети это часто означает использование нескольких отдельных преобразователей в цепочке для согласования напряжений и перехода между AC и DC. Каждая дополнительная ступень увеличивает стоимость, потери энергии и сложность. В то же время Европа и другие регионы активно стремятся сократить выбросы углерода и поощряют локальные «энергетические сообщества», где люди обмениваются чистой энергией. Эти тенденции повышают интерес к гибридным сетям, несущим и AC, и DC, а также к модульной электронике, которую можно многократно использовать и масштабировать по мере роста потребностей.

Один блок вместо двух

Традиционно для питания одновременно AC и DC от солнечной панели или аккумулятора требуются два звена: один преобразователь для повышения или понижения уровня DC, и другой — для преобразования DC в AC. Авторы опираются на ранее предложенную идею «универсального» преобразователя и переработали её так, чтобы одна силовая ступень могла выполнять обе функции одновременно. Их устройство состоит из четырёх идентичных модулей — buck‑boost ячеек. Три ячейки формируют три фазы переменного тока, используемые в здании или малой сети, а четвёртая удерживает выход DC на заданном уровне. Хитрость в том, что нейтральная проводка AC непосредственно связана с положительным полюсом выхода DC, так что и AC, и DC разделяют одну электрическую опорную точку без необходимости массивного изоляционного трансформатора.

Как ведёт себя новый преобразователь

Внутри каждой ячейки быстрые электронные ключи и небольшие индуктивности с конденсаторами формируют ток, повышая или понижая напряжение по необходимости. Три «AC» ячейки генерируют плавные синусоидальные формы, наложенные на постоянную составляющую, тогда как четвёртая ячейка удерживает уровень постоянного тока. Благодаря общей нейтральной точке нагрузкам AC видна только переменная часть сигнала, а DC‑нагрузки получают стабильное значение. Исследователи смоделировали преобразователь в реалистичных условиях и затем собрали лабораторный прототип. В испытаниях один источник DC одновременно питал 1 кВт трёхфазной AC‑мощности и 800 Вт мощности постоянного тока. AC‑напряжения оставались сбалансированными и почти синусоидальными, а DC‑выход держался близко к целевому уровню даже при резком подключении или отключении AC или DC‑нагрузок.

Безопасность, заземление и надёжность

Выбор схемы заземления критически важен для безопасности в смешанных AC/DC системах. При традиционных неназемлённых двойных преобразователях связывание нейтрали AC и одного полюса DC с землёй может непреднамеренно создать контур, по которому пойдут большие токи замыкания, поэтому проектировщики обычно добавляют гальваническую развязку. В новом решении нейтраль AC и положительный полюс DC физически совпадают, поэтому существует только одна внутренняя точка, привязанная к земле, и скрытого контура нет. Это устраняет необходимость в дополнительной изоляции и может снизить долговременные проблемы коррозии, связанные с паразитными токами DC. Тепловизионная съёмка прототипа показывает, что самыми горячими элементами являются силовые ключи, как и ожидалось, но их температура остаётся в пределах безопасных значений и может быть дополнительно снижена улучшением охлаждения.

Что это значит для будущих сетей

Исследование демонстрирует, что модульный одноступенчатый преобразователь способен надежно питать как AC, так и DC сети от одного источника DC, сохраняя чистоту форм сигналов и хорошее управление напряжениями. Для неспециалиста ключевая мысль такова: тот же небольшой набор электронных «кирпичиков» можно повторять и использовать для питания разных типов нагрузок в микросети или энергетическом сообществе. Это сокращает количество оборудования, упрощает схемы заземления и защиты и может повысить общую эффективность за счёт исключения лишних ступеней преобразования. С добавлением замкнутого регулирования и синхронизации с сетью такие преобразователи могут стать центральными блоками в будущих низкоуглеродных локальных энергетических системах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: гибридная микросеть, силовой преобразователь, распределение AC и DC, модульная электронная техника, системы возобновляемой энергии