新型Z源逆变器对电力故障的响应速度比传统方法快1000倍

当 FAMU-FSU 工程学院教授 Fang Peng 还是个孩子时，他就亲眼目睹了电力的威力和危险。他上初中时，偏远的中国家乡第一次通了电。他的家人共用一个连接在电缆上的 15 瓦便携式灯泡。他的工作就是更换灯泡。

"一天晚上，灯泡坏了，我想在一片漆黑中换灯泡，"Peng 说。"我不小心把左手拇指伸进插座，立刻被电击。我被电得失去平衡，摔倒在泥地上，浑身颤抖着。幸好我的右手被电线缠住，把插座从左手上扯了下来，否则我就活不成了。"

在那次濒临死亡的经历之后，Peng将电力视为一种挑战。他把研究电现象和"驯服这头野兽"作为毕生的事业，因为电让他身处险境，却也让他的家人能够在夜晚看到光明。

FAMU-FSU 工程学院电气与计算机工程特聘教授彭芳。图片来源：Mark Wallheiser/FAMU-FSU 工程学院

Peng的最新研究延续了这一使命。在发表于《科学报告》（Scientific Reports） 的一项研究中，他展示了自己创造的一种名为 Z 源逆变器的半导体器件如何在发生短路或开路故障时迅速降低电压和电流。

现有的安全机制能在发生故障时迅速断电，但并不总是足够快。一个典型的断路器可能需要约 50 毫秒才能启动，而这一时间仍足以造成人员死亡或引发火灾。Peng 的数字 Z 源转换器/逆变器可在 5 微秒内提供保护，速度快达 1000 倍。

当电路正常运行时，电力线和电缆将电流从发电机远距离传输到最终用户，这些用户的使用被称为电力系统中的负载。工程师通常希望电路运行尽可能强劲，以便为终端用户供电。但是，当电路被什么东西破坏或短路时，例如一棵倒下的树，电流就会穿过该物体。高达 35000华氏度的电闪会使接触电路的物体迅速升温并剧烈燃烧。

与现有方法相比，Peng 的电子开关检测短路的速度更快。它还能处理各种输入电压，无需额外元件。这种灵活性使它在电源不稳定或需要有效处理不同电压水平的情况下非常有用。

他说："我们开发了一种方法，使电源对负载的反应更加灵敏。在终端用户没有察觉的情况下，我们可以立即让电网恢复正常，而不会产生浪涌电流。"

美国每年都会发生数百起电线断裂引发的野火。2023 年毛伊岛野火是美国历史上死亡人数最多的野火之一。据美国国家防火协会称，那场大火的起因是一棵倒在电线上的树被引燃。

"我们研究的目的是使能源（电压）对负载情况更敏感，"Peng 说。"如果出现意外的大电流，我们希望将电压降低到安全范围，以防止火灾。传统的发电机无论电流大小都保持恒定的电压"。

Peng 的解决方案可用于改造现有基础设施，使其更加安全。

利用风力涡轮机、光伏电池和燃料电池等可再生能源实现电网多样化，是调节电压升降的一种方法。"除了可再生能源，我们还可以用另一种方法来防止电力激增，那就是用电力转换器对系统进行人工调节，"Peng 说。"无论是自然的还是人工的，我们都希望能创造出一种具有自我保护、弹性和冗余的自主工作方式。其中一个想法是使用由电力电子和控制实现的虚拟电阻器来提供电路系统的阻尼和稳定性。"

美国的大部分电网是在 20 世纪 60 年代和 70 年代建造和扩建的。除了电线断裂引发火灾外，老化的基础设施还带来了其他问题，如停电或容易受到网络攻击。

现在是时候用电力电子技术重塑我们的电网并'驯服猛兽'了，这项新的电力技术早在上世纪 80 年代我开始研究生涯时就已开始蓬勃发展，Peng 说，"我真的很幸运能成为几位电力电子技术先驱和世界领袖的门徒。我很幸运能成为几位电力电子技术先驱和世界领袖的门徒。养育一个孩子需要一个村庄，而实现这个新电网则需要整个社会/世界的努力。"

编译来源：ScitechDaily