Un nouvel onduleur source Z qui réagit aux pannes électriques 1 000 fois plus rapidement que les méthodes traditionnelles, vise à améliorer la stabilité du réseau électrique et à prévenir les catastrophes telles que les incendies de forêt provoqués par des lignes électriques tombées en panne. Crédit : Issues.fr.com
Un professeur d'ingénierie a transformé une expérience traumatisante d'enfance avec l'électricité en une carrière dédiée à l'amélioration de la sécurité électrique. Il a développé un onduleur à source Z qui réagit aux pannes électriques 1 000 fois plus rapidement que les méthodes traditionnelles, dans le but de renforcer la stabilité du réseau électrique et de prévenir des catastrophes telles que des incendies de forêt provoqués par des lignes électriques tombées en panne.
Lorsque Fang Peng, professeur à la Faculté d'ingénierie de la FAMU-FSU, était enfant, il a été témoin de la puissance et des dangers de l'électricité.
Il était au collège lorsque sa ville natale chinoise isolée a reçu pour la première fois un service électrique. Sa famille partageait une seule ampoule portable de 15 watts reliée à un câble. C'était son travail de remplacer l'ampoule.
« Une nuit, l'ampoule s'est éteinte et j'ai essayé de la changer dans l'obscurité totale », a déclaré Peng. «J'ai accidentellement coincé mon pouce gauche dans l'alvéole et j'ai été immédiatement choqué. J'ai été déséquilibré et je suis tombé sur le sol en terre battue, tremblant alors que l'électricité me traversait le corps. Heureusement, ma main droite s'est emmêlée dans le câble et a arraché la prise de ma main gauche, sinon je n'aurais pas survécu.
Après cette expérience de mort imminente, Peng a considéré l’électricité comme un défi. Il a consacré sa vie à étudier le phénomène et à « apprivoiser la bête » qui le mettait en danger mais permettait également à sa famille de voir la nuit.
Fang Peng, professeur émérite d'ingénierie en génie électrique et informatique au FAMU-FSU College of Engineering. Crédit : Mark Wallheiser/FAMU-FSU College of Engineering
Innovations en matière de sécurité électrique
Les dernières recherches de Peng poursuivent cette mission. Dans une étude publiée dans Rapports scientifiquesil montre comment un dispositif semi-conducteur qu'il a créé, appelé onduleur à source Z, peut réduire rapidement la tension et le courant en cas de court-circuit ou de défaut de circuit ouvert.
Les mécanismes de sécurité existants qui coupent l'électricité en cas de panne fonctionnent rapidement, mais pas toujours assez rapidement. Un disjoncteur typique peut mettre environ 50 millisecondes à s'activer, ce qui reste suffisamment long pour tuer une personne ou déclencher un incendie. Le convertisseur/onduleur numérique de source Z de Peng peut protéger en 5 microsecondes, soit 1 000 fois plus rapidement.
Comment ça fonctionne
Lorsqu'un circuit fonctionne normalement, les lignes et câbles électriques transportent le courant électrique sur une longue distance depuis les générateurs jusqu'aux utilisateurs finaux, dont l'utilisation est appelée charge dans un système électrique. Les ingénieurs souhaitent généralement qu'il fonctionne aussi puissant que possible pour fournir de l'énergie aux utilisateurs finaux. Mais lorsque quelque chose brise ou court-circuite le circuit, comme un arbre abattu, le courant traverse cet objet. Des éclairs électriques qui atteignent 35 000 degrés Fahrenheit peut provoquer un échauffement rapide des objets en contact avec le circuit et une brûlure intense.
Le commutateur électronique de Peng détecte les courts-circuits plus rapidement que les méthodes existantes. Il peut également gérer une large gamme de tensions d’entrée sans nécessiter de composants supplémentaires. Cette flexibilité le rend utile dans les situations où l'alimentation électrique n'est pas constante ou lorsque vous devez travailler efficacement avec différents niveaux de tension.
« Nous avons développé un moyen pour que la source d'énergie soit plus réactive à la charge », a-t-il déclaré. « Sans que les utilisateurs finaux ne s’en aperçoivent, nous pouvons immédiatement ramener le réseau électrique à la normale, sans surtension. »
Pourquoi c'est important
Les lignes électriques tombées en panne déclenchent des centaines d’incendies de forêt chaque année aux États-Unis. Les incendies de forêt de Maui en 2023 ont été parmi les plus meurtriers de l’histoire des États-Unis. Selon la National Fire Protection Association, cet incendie s'est déclaré lorsqu'un arbre tombé sur une ligne électrique s'est enflammé.
« Le but de notre étude est de rendre la source d'énergie (tension) plus réactive aux conditions de charge », a déclaré Peng. « S’il y a un courant important inattendu, nous voulons réduire la tension à un niveau sûr pour éviter les incendies. Les générateurs traditionnels continuent de générer une tension constante quel que soit le courant.
Réingénierie du réseau
La solution de Peng peut être utilisée pour moderniser les infrastructures existantes afin de les rendre plus sûres.
Diversifier le réseau électrique avec des sources d'énergie renouvelables comme les éoliennes, les cellules photovoltaïques et les piles à combustible est un moyen de réguler les augmentations et les diminutions de tension.
« Outre les énergies renouvelables, une autre manière de prévenir les surtensions consiste à réguler artificiellement le système à l'aide d'un convertisseur de puissance », a déclaré Peng. « Que ce soit naturel ou artificiel, nous voulons créer quelque chose qui fonctionne de manière autonome avec autoprotection, résilience et redondance. Une idée consiste à utiliser une résistance virtuelle implémentée par l’électronique de puissance et le contrôle pour assurer l’amortissement et la stabilisation du système de circuit.
Une grande partie du réseau électrique américain a été construite et développée dans les années 1960 et 1970. Outre les incendies dus aux lignes électriques tombées en panne, le vieillissement des infrastructures pose d'autres problèmes, tels que des pannes de courant ou une vulnérabilité aux cyberattaques.
« Il est temps de refaire nos réseaux et d' »apprivoiser la bête » avec l'électronique de puissance, une nouvelle technologie de puissance qui a commencé à prospérer dans les années 1980, lorsque j'ai commencé ma carrière de chercheur », a déclaré Peng. « J’ai eu vraiment la chance de devenir le protégé de plusieurs pionniers de l’électronique de puissance et leaders mondiaux. Il faut tout un village pour élever un enfant, et il faut toute la société/le monde pour faire en sorte que ce nouveau réseau se réalise. »
Les recherches de Peng ont été soutenues par le Département américain de l'énergie et le Bureau des technologies de l'énergie solaire.
