一种基于多端口等效电路级联的强电磁系统瞬时传导电磁干扰建模方法

本发明涉及电磁兼容领域，具体是一种基于多端口等效电路级联的强电磁系统瞬时传导电磁干扰建模方法。

背景技术：

1、为了保证大功率瞬态工作的强电磁系统稳定运行，通常采用脉冲电源作为直流来源，大容量高开关频率的多相dc-ac逆变器作为能量变换装置，以及高推力密度的直线电机作为负载。其中工作在高开关频率下的多相dc-ac逆变器是船舶平台强电磁系统中主要的电磁干扰源之一；同时考虑到强电磁系统工作时间极短，如何对其进行瞬态传导电磁干扰系统级建模一直是电磁兼容领域的难点问题。

2、目前现代船舶平台由于大量电力电子装置的使用，导致电磁环境相比传统船舶更加复杂，同时产生的电磁干扰(emi)问题正成为影响电力系统可靠性和安全性的重要因素。随着大功率开关器件电压等级更高、开关速度更快，使得越来越多的大功率强电磁系统能够有效工作在短时状态，强电磁系统中电能变换装置在高频开通和关断瞬间会产生很大的dv/dt和di/dt并在较宽的频率范围内作为强电磁干扰源，使得整个强电磁系统内部以及与之接口的电力系统带来严重的瞬时传导电磁干扰问题，影响平台上其他设备的正常安全运行。

3、船舶平台上典型的瞬时大功率强电磁系统主要是由超级电容储能柜、多相dc-ac逆变器以及多相电机构成。超级电容由于具有放电电流大、放电时间短以及能量密度大等优势，在作为储能装置时能进行瞬时大电流放电，因此通常应用于强电磁系统(如电磁发射系统、高推力密度直线电机等)中作为脉冲电源为系统瞬时工作提供能量。多相dc-ac逆变器由于具备大功率、高效率和电能变换速度快等特点，在大功率强电磁系统瞬时工作中能够将超级电容脉冲电源产生的瞬时直流电能变换为瞬时交流电能为高推力密度电机提供能量。多相电机具备中性点隔离且不存在零序电流分量，更适合高电压、瞬时大功率的工作情形，且其高推力密度能够将载荷瞬间加速到指定速度，因此在典型的大功率强电磁系统中得到了广泛应用。但是大功率强电磁系统整体运行时间极短，其产生的瞬时传导电磁干扰不同于以往传统的周期性传导电磁干扰，时变性极强，因此通过建立各模块的多端口瞬时传导电磁干扰模型，随后将等效电路进行级联构建起系统级瞬时传导电磁干扰模型，开展强电磁系统瞬态传导电磁干扰分析。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多端口等效电路级联的强电磁系统瞬时传导电磁干扰建模方法，包括以下步骤：

2、1)建立以超级电容为脉冲电源的超级电容多端口瞬态传导emi模型；

3、2)确定多相dc-ac逆变器电路拓扑结构，并建立包含寄生效应的多相电机多端口瞬态传导emi模型；

4、3)利用差模和共模阻抗测量方法对多相电机多端口瞬态传导emi模型进行处理，计算得到多相电机等效电路参数；

5、4)基于多相电机等效电路参数，建立多相电机的多端口瞬态传导emi模型；

6、5)建立基于数据流的多端口等效电路级联的强电磁系统的瞬态传导电磁干扰系统级模型，包括超级电容多端口瞬态传导emi模型、多相电机多端口瞬态传导emi模型和多相电机的多端口瞬态传导emi模型；

7、其中，超级电容多端口瞬态传导emi模型提供电源，多相dc-ac逆变器多端口瞬态传导emi模型将电源传输至多相电机的多端口瞬态传导emi模型；

8、所述瞬态传导电磁干扰系统级模型用于计算强电磁系统对电机直流侧的共模电磁干扰与差模电磁干扰特性。

9、进一步，所述超级电容多端口瞬态传导emi模型的电路拓扑如下所示：

10、记直流电源u正极所在一端为a，负极所在一端为b；

11、a端依次串联开关k1、超级电容器c后连接b端；b端接地；

12、a端依次串联开关k1、开关k2、超级电容杂散电感l1、超级电容杂散电阻r1、超级电容杂散电感l2、超级电容杂散电感l2后连接二极管d的阴极；二极管d的阳极接地；

13、a端依次串联开关k1、开关k2、超级电容杂散电感l1、超级电容杂散电阻r1、电感l3、电阻r3后接地；

14、其中，电感l3为脉冲电抗器的电感，电阻r3为脉冲电抗器电阻与模拟负载电阻之和。

15、进一步，步骤2)中，包含寄生效应的多相dc-ac逆变器多端口瞬态传导emi模型的控制方法如下：

16、多相dc-ac逆变器滞后相a2-b2-c2的三相桥臂使用spwm控制方式，其调制波信号依次相差120°电角度；

17、多相dc-ac逆变器超前相a1-b1-c1的开关桥臂需每相超前对应滞后相桥臂30°电角度，多相dc-ac逆变器整体实现相差30°电角度的双spwm控制方式。

18、进一步，利用差模和共模阻抗测量方法对多相电机多端口瞬态传导emi模型进行处理的步骤包括：

19、3.1)利用差模阻抗测量方法测量多相电机中超前和滞后两组绕组与第三相之间的阻抗；

20、3.2)利用共模阻抗测量方法测量多相电机中超前和滞后两组绕组与电机外壳接地端之间的阻抗；

21、3.3)计算并联谐振峰值fp1和串联谐振频率fd1，即：

22、

23、

24、其中，电容cd(n-1)和电感ld(n-1)如下所示：

25、

26、

27、式中，cd为总的差模电容；

28、3.4)重复步骤3.3)，确定不同频段下并联谐振峰值{fp1、fp2、…、fpn}和串联谐振频率{fd1、fd2、…、fdn}；

29、3.5)计算共模电感和电容参数，即：

30、

31、式中，i为频段序号；lci、cci为频段i下的共模电感和电容参数；

32、3.6)计算多相电机等效电路参数，即：

33、

34、

35、

36、式中，li、ci、ri为多相电机等效电路的电感、电容和电阻；cdi为频段i下的差模电容；ldi为频段i下的差模电感；rdi为频段i下的差模电阻。

37、进一步，所述多相电机的多端口瞬态传导emi模型每相末端的三个电压源ea、eb和ec代表双三相电机在基频的反向电磁力；电压源通过稳态工作点处的电压、基频电流以及速度获得。

38、进一步，步骤5)中，所述瞬态传导电磁干扰系统级模型在simulink环境中搭建得到。

39、进一步，所述瞬态传导电磁干扰系统级模型瞬时工作过程中所需能量的大小e如下所示：

40、通过对超级电容作为脉冲电源输出侧电压与电流的乘积进行时域积分得到强电磁系统瞬时工作过程中所需能量的大小，如下式所示：

41、

42、其中t0、t1分别表示强电磁系统开始和停止工作时刻；u(t)为脉冲电源输出侧电压；i(t)为脉冲电源输出侧电流。

43、本发明的技术效果是毋庸置疑的。本专利提出了一种基于多端口等效电路级联的强电磁系统瞬时传导电磁干扰建模方法，能用于预测大功率强电磁系统瞬时电磁干扰特性，为船舶平台瞬时工作的大功率强电磁系统传导电磁干扰分析以及针对传导电磁干扰抑制奠定基础。

44、本发明建立了超级电容储能柜作为脉冲直流电源的多端口瞬态传导emi建模方法，该模型能够明确表示放电电流大、瞬时输出能量高等特点，且模型可直接用于瞬时大功率强电磁系统的传导emi建模仿真中，能为后续强电磁系统瞬时建模提供模型支撑。

45、本发明建立了使用传导干扰瞬态分析，并考虑了控制方式、负载电机拓扑结构等因素的双三相dc-ac逆变器多端口瞬态传导emi模型建模方法，该建模方法物理概念清晰、易于操作，并可直接推广到其他多相dc-ac逆变器的瞬态传导emi建模中。

46、本发明给出了基于数据流的多端口等效电路级联的强电磁系统的瞬态传导emi系统级模型的建模方法，具有模型简洁明了、建模流程清晰且仿真结果精确等特点，能为后续瞬态传导电磁干扰量化分析提供模型和仿真数据支持，并可以推广到其他瞬态工作的强电磁系统建模中，具有广泛的应用价值。