Hybridomvandlare med dubbelutgång baserad på den modulära universella likström-växelström/likströmsomvandlaren

Energi för hem och samhällen

När fler hem, byggnader och områden installerar solpaneler, batterier och elfordon behövs smart hårdvara som kan flytta el effektivt. Många framtida mikronät kommer att ha både traditionell växelströmsinstallation (AC) och nyare likströmslinjer (DC) sida vid sida. Denna studie presenterar en ny typ av kraftomvandlare som kan mata både AC- och DC-kretsar från en kompakt låda, vilket hjälper lokala energisystem att bli enklare, säkrare och mer kostnadseffektiva.

Varför både AC och DC spelar roll

De flesta apparater och det offentliga nätet använder AC, men många förnybara källor och elektroniska enheter fungerar naturligt med DC. I ett hus eller ett samhällsmikronät innebär detta ofta att flera separata omvandlare kopplas i serie för att anpassa spänningar och växla mellan AC och DC. Varje extra steg tillför kostnad, energiförluster och komplexitet. Samtidigt driver Europa och andra regioner kraftigt för att minska koldioxidutsläpp och uppmuntra lokala ”energigemenskaper”, där människor delar ren energi. Dessa trender ökar intresset för hybridnät som bär både AC och DC, och för modulär elektronik som kan återanvändas och skalas med behoven.

En låda istället för två

Traditionellt krävs två block för att mata både AC och DC från en solcell eller ett batteri: en omvandlare för att höja eller sänka DC-spänningen och en annan för att omvandla DC till AC. Författarna bygger vidare på en tidigare idé om en ”universal” omvandlare och redesignerar den så att ett enda kraftsteg kan utföra båda uppgifterna samtidigt. Deras enhet är byggd av fyra identiska byggstenar kallade buck-boost-celler. Tre celler genererar de tre AC-faserna som en byggnad eller ett litet nät kan använda, medan den fjärde cellen håller DC-utgången på en inställd nivå. Smart nog är AC-systemets nolla direkt kopplad till den positiva sidan av DC-utgången, så både AC och DC delar samma elektriska referens utan behov av en skrymmande isolertransformator.

Hur den nya omvandlaren beter sig

Inuti varje cell formar snabba elektroniska brytare och små spolar och kondensatorer strömmen, antingen genom att höja eller sänka spänningen efter behov. De tre ”AC”-cellerna genererar jämna sinusformade vågor som ligger ovanpå en DC-förskjutning, medan den fjärde cellen håller DC-nivån konstant. På grund av den delade nollpunkten ser AC-belastningarna endast vågornas rippleskomponent, medan DC-belastningarna ser det stabila värdet. Forskarna simulerar omvandlaren under realistiska förhållanden och bygger sedan en laboratorieprototyp. I tester matar en enda DC-källa simultant ut 1 kilowatt trefas AC-effekt och 800 watt DC-effekt. AC-spänningarna förblir balanserade och nästan sinusformade, och DC-utgången ligger nära sitt målvärde även när AC- eller DC-belastningar plötsligt kopplas in eller ur.

Säkerhet, jordning och tillförlitlighet

Val av jordningslösningar är avgörande för säkerheten i blandade AC/DC-system. Med konventionella icke-isolerade dubbla omvandlare kan sammankoppling av AC-nollan och en DC-pole till jord oavsiktligt skapa en slinga som tillåter stora felströmmar att cirkulera, varför konstruktörer vanligtvis lägger till galvanisk isolering. I den nya designen är AC-nollan och den positiva DC-polen fysiskt samma punkt, så det finns endast en intern nod kopplad till jord och ingen dold slinga. Detta eliminerar behovet av extra isoleringshårdvara och kan även minska långsiktiga korrosionsproblem kopplade till oönskade DC-strömmar. Termisk avbildning av prototypen visar att de hetaste delarna är effektbrytarna, vilket är väntat, men deras temperaturer håller sig inom säkra gränser och kan sänkas ytterligare med förbättrad kylning.

Vad detta betyder för framtidens nät

Studien visar att en modulär enstegsomvandlare pålitligt kan försörja både AC- och DC-nät från en DC-källa samtidigt som vågformer hålls rena och spänningar väl reglerade. För en icke-specialist är huvudbudskapet att samma lilla uppsättning elektroniska ”klossar” kan upprepas och återanvändas för att driva olika typer av laster i ett mikronät eller en energigemenskap. Detta minskar hårdvaran, förenklar jordning och skydd, och kan förbättra den totala effektiviteten genom att undvika extra omvandlingssteg. Med tillsats av sluten reglering och nät-synkronisering kan sådana omvandlare bli centrala byggstenar i framtida lokala låga-kol energisystem.

Citering: 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

Nyckelord: hybridmikronät, kraftomvandlare, AC DC-distribution, modulär elektronik, förnybara energisystem