一位工程學教授將童年與電力打交道的痛苦經歷轉變為致力於提高電力安全的職業。他開發的Z 源逆變器對電力故障的反應速度比傳統方法快1000 倍，旨在加強電網的穩定性，並防止因電線斷裂而引發野火等災難。

當FAMU-FSU 工程學院教授Fang Peng 還是個孩子時，他就親眼目睹了電力的威力和危險。他上國中時，偏遠的中國家鄉第一次通了電。他的家人共用一個連接在電纜上的15 瓦便攜式燈泡。他的工作就是更換燈泡。

“有一天晚上，燈泡壞了，我想在一片漆黑中換燈泡，”Peng 說。 “我不小心把左手拇指伸進插座，立刻被電擊。我被電得失去平衡，摔倒在泥地上，渾身顫抖著。幸好我的右手被電線纏住，把插座從左手上扯了下來，否則我就活不成了。

在那次瀕臨死亡的經歷之後，Peng將電力視為一種挑戰。他把研究電現象和”馴服這頭野獸”作為畢生的事業，因為電讓他身處險境，卻也讓他的家人能夠在夜晚看到光明。

FAMU-FSU 工程學院電機與電腦工程特聘教授彭芳。圖片來源：Mark Wallheiser/FAMU-FSU 工程學院

Peng的最新研究延續了這項使命。在發表於《科學報告》（Scientific Reports） 的一項研究中，他展示了自己創造的一種名為Z 源逆變器的半導體裝置如何在發生短路或開路故障時迅速降低電壓和電流。

現有的安全機制能在發生故障時迅速斷電，但並不總是足夠快。典型的斷路器可能需要約50 毫秒才能啟動，而這段時間仍足以造成人員死亡或引發火災。 Peng 的數位Z 源轉換器/變頻器可在5 微秒內提供保護，速度快達1000 倍。

當電路正常運作時，電力線和電纜將電流從發電機遠距離傳輸到最終用戶，這些用戶的使用稱為電力系統中的負載。工程師通常希望電路運作盡可能強勁，以便為終端用戶供電。但是，當電路被某些東西破壞或短路時，例如一棵倒下的樹，電流就會穿過該物體。高達35000華氏度的電閃會使接觸電路的物體迅速升溫並劇烈燃燒。

與現有方法相比，Peng 的電子開關偵測短路的速度更快。它還能處理各種輸入電壓，無需額外元件。這種靈活性使它在電源不穩定或需要有效處理不同電壓等級的情況下非常有用。

他說：”我們開發了一種方法，使電源對負載的反應更加靈敏。在終端用戶沒有察覺的情況下，我們可以立即讓電網恢復正常，而不會產生浪湧電流。”

美國每年都會發生數百起電線斷裂引發的野火。 2023 年毛伊島野火是美國史上死亡人數最多的野火之一。據美國國家防火協會稱，那場大火的起因是一棵倒在電線上的樹被引燃。

“我們研究的目的是使能源（電壓）對負載情況更敏感，”Peng 說。 “如果出現意外的大電流，我們希望將電壓降低到安全範圍，以防止火災。傳統的發電機無論電流大小都保持恆定的電壓”。

Peng 的解決方案可用於改造現有基礎設施，使其更加安全。

利用風力渦輪機、光伏電池和燃料電池等再生能源實現電網多樣化，是調節電壓升降的一種方法。 “除了再生能源，我們還可以用另一種方​​法來防止電力激增，那就是用電力轉換器對系統進行人工調節，”Peng 說。 “無論是自然的還是人工的，我們都希望能創造出一種具有自我保護、彈性和冗餘的自主工作方式。其中一個想法是使用由電力電子和控制實現的虛擬電阻器來提供電路系統的阻尼和穩定性。

美國的大部分電網是在20 世紀60 年代和70 年代建造和擴建的。除了電線斷裂引發火災外，老化的基礎設施還帶來了其他問題，例如停電或容易受到網路攻擊。

現在是時候用電力電子技術重塑我們的電網並’馴服猛獸’了，這項新的電力技術早在上世紀80 年代我開始研究生涯時就已開始蓬勃發展，Peng 說，”我真的很幸運能成為幾位電力電子技術先驅和世界領袖的門徒。的努力。 ” “

編譯來源：ScitechDaily