带性能控制与实时验证的光伏微电网用混合准Z源多输出变换器系统

更聪明地为家庭供电，而不仅仅是更用力

随着越来越多的家庭安装屋顶光伏板并连接各类电子设备，他们需要不同形式的电力：为电子设备和电池提供稳定的直流（DC），以及为家庭电网提供交流（AC）。今天这通常意味着在光伏板与墙上插座之间叠加多个笨重的电力变换器。本文介绍了一种紧凑的“全能”太阳能电箱，能够同时为直流和多个交流回路供电，在自动最大限度地利用太阳能的同时保持高电能质量。

为何现有太阳能系统浪费空间与能量

在典型微电网中，光伏板、蓄电池和家用负载通过多级电力电子设备连接。一个装置提升来自光伏板的低电压，另一个把直流变成交流，如果需要更多电压等级或输出，又会增加额外的变换器。每增加一个箱体就提高了成本、热损耗和体积。许多试图简化的现代设计仍然只对一种输出表现良好——通常是单一的交流线路——而把直流需求或多路电路留给别处处理。随着家庭和小型社区转向同时为本地直流设备和更广泛交流电网供电的混合系统，这一差距变得更为严重。

一体化太阳能电箱

作者提出了一种混合变换器，将升压、直流供给和交流变换合并为单级。在其核心是一种改进的“准Z源”网络——由电感、电容、二极管和开关组成的特殊结构，可根据需要对光伏电压进行升降。新的改进是加入了一个开关电容分支，提高了电压提升能力，使得可以直接从该网络获得干净且良好调节的直流输出，而不是作为副产品。从同一提升链路，两个独立的单相逆变模块在简单滤波后生成独立的交流输出。该设计具有模块化特性：可以增加更多逆变模块以为附加交流回路或更高功率级供电，而无需改变基本结构。

将直流与交流职责分开的智能控制

此类组合硬件的一大挑战是避免直流与交流需求之间的拉扯。研究通过一种控制方法来应对这一点，为每一侧提供独立的“旋钮”。一个控制变量——穿通占空比（shoot‑through duty ratio）——主要设定提升后的直流电压；另一个变量，调制指数，设定交流输出电平。作者在数学上证明，在实际范围内这两个旋钮可独立调节。一个广为人知的跟踪算法——扰动观察最大功率点追踪（perturb‑and‑observe MPPT）——缓慢调整占空比，使光伏板在光照变化时仍工作在最大功率点。更快的内环则监测交流电压与电流，使送入电网的功率与电网电压保持同相，维持良好功率因数并限制失真。

从仿真到实时测试

为了验证方案在方程之外的可行性，团队首先对一套为小型住宅设计的16千瓦系统进行了仿真。在单个光伏阵列为变换器供电的情况下，他们获得了一个稳健的直流输出和两个交流输出，即使在某一侧负载突然增加或减少时，各路仍能保持稳定。下一步使用了硬件在环（HIL）平台，实时模拟真实世界行为。在这里，当研究者改变光照强度或突然调整直流或交流负载时，变换器仍能将电压控制在目标附近。一路的扰动——例如直流电流的突然跳变——并未显著影响其他交流输出，实证了所承诺的耦合解耦特性。

这对未来太阳能微电网意味着什么

通俗地说，这项工作表明，一个经过精心设计的单一智能箱体可以替代太阳能微电网中的多个传统变换器，同时仍然提供清洁且独立可控的直流与多路交流输出。对希望更依赖屋顶太阳能的家庭和社区而言，这可转化为更小的安装规模、更低的成本和更少的能量浪费。作者指出，向更高功率等级扩展需要对散热、器件应力和效率给予细致关注，但单级架构与强健的控制方案使该设计在下一代住宅和微电网应用中具有良好前景。

引用: 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

关键词: 太阳能微电网, 混合变换器, 准Z源, 多输出逆变器, 光伏控制