艦船電力系統(tǒng)電磁兼容建模分析方法綜述

陳宇航，張正卿，帥驍睿，吳 鈁，廖于翔

綜述

艦船電力系統(tǒng)電磁兼容建模分析方法綜述

陳宇航1，張正卿2，帥驍睿2，吳 鈁2，廖于翔2

（1. 海裝沈陽(yáng)局駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，葫蘆島 125003；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

隨著艦船動(dòng)力和武器系統(tǒng)向電氣化方向發(fā)展，電力電子技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛，電磁干擾(EMI)與電磁兼容性(EMC)問(wèn)題正成為影響電力系統(tǒng)可靠性和安全性的重要因素。本文在探討艦船電力系統(tǒng)電磁兼容分析重要意義的基礎(chǔ)上，從電力電子變換裝置、電力推進(jìn)系統(tǒng)及電纜通道等方面介紹了國(guó)內(nèi)外艦船電力系統(tǒng)電磁兼容建模與分析研究的最新動(dòng)態(tài)，探討了各種方法的特點(diǎn)和適用性，同時(shí)對(duì)電磁兼容相關(guān)分析與計(jì)算方法進(jìn)行了梳理。研究結(jié)果表明，將電磁兼容性設(shè)計(jì)融入電力系統(tǒng)功能與性能設(shè)計(jì)有助于在研制初期規(guī)避系統(tǒng)性電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)，提升研發(fā)效能。

電力系統(tǒng)電磁兼容性建模與分析方法

0 引言

現(xiàn)代艦船綜合電力系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)日用電、電力推進(jìn)、高功率武器及先進(jìn)傳感器負(fù)荷的集成管理，實(shí)現(xiàn)全船能量的綜合利用與調(diào)度。新版《美國(guó)電力與能源技術(shù)發(fā)展路線圖》提出了綜合電力與能源系統(tǒng)（IPES）的概念，在提升艦船生存能力、可靠性和靈活性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[1～2]。

綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展伴隨著電力電子技術(shù)的深度應(yīng)用，整流發(fā)電機(jī)組、直流區(qū)域變配電網(wǎng)絡(luò)變流器與逆變器、電力推進(jìn)變頻調(diào)速系統(tǒng)等大功率電力電子變換裝置成為綜合電力系統(tǒng)電能變換與調(diào)配的重要節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)集成化、模塊化與能量密度水平不斷提高[3～4]。然而電力電子開(kāi)關(guān)器件高頻、非線性的工作特性使其容易成為潛在的電磁發(fā)射源，產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。由于綜合電力系統(tǒng)電力電子變換設(shè)備日趨增多，電壓、功率等級(jí)多樣，容量大，分布區(qū)域廣泛，各種功率電纜、信號(hào)電纜密集敷設(shè)，且布置在封閉狹小的空間中，使艦船艙室電磁環(huán)境更加復(fù)雜，電磁干擾與電磁兼容性（EMC）成為影響電力系統(tǒng)可靠性和安全性的重要因素[5]。

在GJB72-2002《電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)》中將電磁兼容性定義為設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括以下兩個(gè)方面：a）設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接收的降級(jí)；b）設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會(huì)給環(huán)境（或其他設(shè)備）帶來(lái)不可接受的電磁干擾。

在研制階段對(duì)電磁干擾特性及其傳播途徑進(jìn)行建模與分析是電力系統(tǒng)及設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要方法，也是預(yù)測(cè)系統(tǒng)電磁干擾與受擾特征、進(jìn)行電磁干擾抑制和釋放電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)的重要途經(jīng)。本文將在探討艦船電力系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)重要意義的基礎(chǔ)上，介紹國(guó)內(nèi)外艦船電力系統(tǒng)電磁兼容建模分析研究的最新動(dòng)態(tài)，同時(shí)對(duì)電磁兼容相關(guān)的分析與計(jì)算方法進(jìn)行梳理。

1 艦船電力系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)的意義

電力系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)包括電磁發(fā)射與敏感度兩個(gè)方面，按照干擾耦合方式分為傳導(dǎo)耦合與輻射耦合。在GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》中規(guī)定了軍用電子、電氣及機(jī)電等設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度特性的要求及測(cè)試方法，是相關(guān)單位進(jìn)行設(shè)備和分系統(tǒng)電磁兼容性論證、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和驗(yàn)收的依據(jù)，該標(biāo)準(zhǔn)主要參照美軍標(biāo)MIL-STD-461F，測(cè)試項(xiàng)目與要求主要分為四類(lèi)，如圖1所示。

艦船電力系統(tǒng)及設(shè)備布局緊湊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量密度高，潛在的電磁干擾耦合途徑多樣，危害性大，如引起電力系統(tǒng)或設(shè)備性能降低甚至失電，影響監(jiān)控、通信、導(dǎo)航等系統(tǒng)正常工作等。在系統(tǒng)（或設(shè)備）出現(xiàn)電磁兼容測(cè)試不達(dá)標(biāo)或電磁兼容性問(wèn)題后再進(jìn)行整改的難度大、調(diào)整空間有限，通常費(fèi)時(shí)且效果不佳。因此，將電磁兼容設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)功能與性能設(shè)計(jì)的重要組成部分，貫穿整個(gè)研制與生產(chǎn)過(guò)程，在方案設(shè)計(jì)階段即開(kāi)展電磁兼容性預(yù)測(cè)分析工作，對(duì)節(jié)省研制成本、縮短研制周期、獲得最高效能具有重要意義。通過(guò)系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、部件級(jí)與元器件級(jí)等多層次的建模分析，能夠有效識(shí)別電磁干擾耦合路徑，評(píng)價(jià)系統(tǒng)中潛在的電磁干擾發(fā)射源和電磁敏感薄弱環(huán)節(jié)的敏感度特征，進(jìn)而輔助優(yōu)化電磁兼容安全裕度與指標(biāo)參數(shù)，為系統(tǒng)與設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐[6]。

圖1 電磁兼容性測(cè)試項(xiàng)目

2 電磁兼容分析建模方法

干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備是研究電磁兼容問(wèn)題的三要素。對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行電磁兼容性建模分析，即通過(guò)合理的簡(jiǎn)化與近似處理，將三要素實(shí)際的電路與電磁場(chǎng)物理模型抽象為數(shù)學(xué)模型，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法進(jìn)行求解，并通過(guò)對(duì)解算數(shù)據(jù)的后處理形成可視化的計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容性特征。目前，商業(yè)電磁場(chǎng)與電磁兼容分析軟件成為電磁兼容性設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)的重要手段，可實(shí)現(xiàn)三維空間的場(chǎng)路耦合分析與計(jì)算，建模分析的準(zhǔn)確性與有效性取決于模型的近似程度以及求解方法[7]。

2.1 電力電子變換裝置的建模與分析

在艦船電力系統(tǒng)中，電力電子變換裝置的電磁兼容性建模與分析從傳導(dǎo)干擾分析與輻射干擾分析兩方面開(kāi)展。

傳導(dǎo)干擾分析模型的搭建通常是基于元器件級(jí)高頻寄生參數(shù)的獲取與分析，元器件主要包括電阻、電容、磁性器件（如變壓器、電感）等無(wú)源器件以及半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件（如IGBT等），寄生參數(shù)的獲取方法包括仿真法與實(shí)測(cè)法。仿真法是通過(guò)電磁場(chǎng)分析進(jìn)行參數(shù)抽取，而實(shí)測(cè)法是基于相關(guān)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行曲線擬合。通過(guò)元器件高頻模型與耦合回路的分析，建立完整的傳導(dǎo)回路模型進(jìn)行時(shí)域仿真，并經(jīng)過(guò)傅里葉變換最終得到干擾頻譜。輻射干擾分析通常需要依據(jù)分析對(duì)象的工作模式將其抽象為等效的輻射發(fā)射源與接收終端，并建立其空間三維幾何模型，通過(guò)求解復(fù)雜的電磁場(chǎng)問(wèn)題來(lái)獲取其輻射干擾特征。

文獻(xiàn)[8]基于實(shí)測(cè)法獲取了集成電力電子模塊的寄生參數(shù)，同時(shí)保證了元器件結(jié)構(gòu)的完整性。文獻(xiàn)[9]提出了一種考慮IGBT瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性的EMI模型簡(jiǎn)化方法，器件非線性的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程被分成了幾個(gè)階段，通過(guò)多重電壓電流變化率疊加的分段線性逼近方法，來(lái)近似模擬器件實(shí)際的開(kāi)關(guān)電壓和電流波形，通過(guò)DC-DC降壓變換器的測(cè)試結(jié)果表明，該方法具有較好的精度。文獻(xiàn)[10]通過(guò)建立開(kāi)關(guān)電源低頻傳導(dǎo)發(fā)射模型計(jì)算了電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射頻譜以及諧波畸變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻傳導(dǎo)干擾的數(shù)值預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[11]在Simulink仿真環(huán)境下建立了某型艦船大功率逆變電源高頻等效電路仿真模型，模型中包含線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）和Mardiguian噪聲分離網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了差模、共模傳導(dǎo)噪聲電壓的分離與分析；建立了電偶極子共模輻射等效模型和磁偶極子差模輻射等效模型；同時(shí)在CST仿真環(huán)境下建立傳動(dòng)控制柜簡(jiǎn)化模型，分析了柜體特性對(duì)輻射屏蔽效能的影響。

文獻(xiàn)[12]提出并驗(yàn)證了一種對(duì)印制電路板（PCB）級(jí)近場(chǎng)區(qū)電磁場(chǎng)輻射發(fā)射進(jìn)行分析的方法，該方法基于簡(jiǎn)化遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)男拚蜃樱珊?jiǎn)捷快速的分析計(jì)算鄰近PCB板間的互擾問(wèn)題，預(yù)測(cè)輻射發(fā)射和接收信號(hào)的量級(jí)。文獻(xiàn)[13]對(duì)Boost開(kāi)關(guān)電源電路的輻射噪聲進(jìn)行了分析，作者結(jié)合電偶極子、磁偶極子以及麥克斯韋方程組，推導(dǎo)出電場(chǎng)和磁場(chǎng)輻射噪聲的計(jì)算方法，并在ANSYS Simplorer軟件中搭建了開(kāi)關(guān)電源整機(jī)電路模型，計(jì)算提取開(kāi)關(guān)電源進(jìn)線處噪聲電流，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真，獲取輻射噪聲頻譜圖，進(jìn)而輔助輻射噪聲抑制濾波電路的設(shè)計(jì)。文中還利用ANSYS Maxwell軟件對(duì)開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵器件近場(chǎng)輻射特征進(jìn)行了三維建模與可視化處理，得到了各器件及機(jī)殼對(duì)近場(chǎng)輻射的影響關(guān)系，為PCB板的器件布局和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[14]以包含SiC MOSFET和二極管的互鎖開(kāi)關(guān)、電容和負(fù)載的電路為例，從能量脈沖和電磁場(chǎng)瞬變過(guò)程的角度，建立了電路、電磁場(chǎng)與載流子場(chǎng)耦合作用下的三維電磁場(chǎng)數(shù)值分析模型，模型采用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL搭建并結(jié)算，獲取了微納秒級(jí)時(shí)間尺度開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中空間電磁場(chǎng)的分布及演化，提供了一種從電磁場(chǎng)物理本質(zhì)出發(fā)研究電力電子變換裝置輻射機(jī)理的有效工具。

2.2 電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與分析

推進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)是艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心，推進(jìn)電機(jī)控制大多利用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)調(diào)節(jié)三相交流電的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM控制雖然有助于降低電機(jī)諧波損耗、提升調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，但由于PWM調(diào)制波形含有大量高頻諧波，容易在電機(jī)本體中產(chǎn)生漏電流和軸電壓，進(jìn)而產(chǎn)生電磁干擾問(wèn)題。同時(shí)，推進(jìn)電機(jī)變頻器的電磁發(fā)射特性也是電磁兼容關(guān)注的重點(diǎn)。

電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與分析主要包括推進(jìn)電機(jī)本體建模和大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模。文獻(xiàn)[15]在分析永磁同步電機(jī)本體電磁干擾種類(lèi)和耦合路徑的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件建立了電機(jī)低頻模型，進(jìn)而獲取了電機(jī)在周?chē)臻g的低頻磁場(chǎng)分布。同時(shí)針對(duì)高頻電磁干擾，利用基于矢量匹配法的黑匣子等效法和有限元高頻參數(shù)抽取法分別建立了電機(jī)的高頻等效電路模型，并分析了兩種方法各自的適用條件。文獻(xiàn)[16]以艦船交流電力系統(tǒng)十二相同步推進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行了理論分析，建立了相應(yīng)的設(shè)備級(jí)與系統(tǒng)級(jí)仿真模型，重點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)輸入諧波、變頻器輸出諧波及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[17]建立了大功率三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI時(shí)域仿真模型，在模型中，無(wú)源器件、疊層母排等部件的寄生參數(shù)利用阻抗分析儀測(cè)量和Ansoft Q3D電磁仿真軟件計(jì)算得到，利用Saber和Simulink組成的聯(lián)合仿真平臺(tái)分別搭建主電路和控制電路模型。同時(shí)還利用HFSS軟件搭建了系統(tǒng)輻射EMI仿真預(yù)測(cè)模型，并能夠依據(jù)分析結(jié)果制定電磁兼容整改與治理措施。文獻(xiàn)[18]以三相變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和12脈波AC/DC系統(tǒng)為例，在建立各元器件高頻模型的基礎(chǔ)上，分別建立了船舶電力系統(tǒng)共模和差模傳導(dǎo)干擾等效電路模型，并用以進(jìn)行頻域分析，得到了系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)傳導(dǎo)干擾特征。

2.3 電纜通道的建模與分析

隨著艦船電力系統(tǒng)供配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的提升，電力電纜的數(shù)量和長(zhǎng)度也在相應(yīng)的增加，穿艙電纜數(shù)量眾多，分布范圍廣，而電力電纜通常集中敷設(shè)，在其敷設(shè)通道區(qū)域產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)與強(qiáng)磁場(chǎng)是艦船上主要的低頻電磁發(fā)射源。另一方面，不同電壓負(fù)荷等級(jí)、工作頻段和功能的電纜通道因空間所限往往不能拉開(kāi)足夠的間距，電纜傳輸線間串?dāng)_帶來(lái)的影響不可忽略。然而，在設(shè)備級(jí)測(cè)試和系統(tǒng)級(jí)聯(lián)調(diào)時(shí)，電磁兼容性測(cè)試通常依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境設(shè)置，傳輸電纜長(zhǎng)度短，敷設(shè)方式不能模擬艦船實(shí)際敷設(shè)環(huán)境，不能完全反映線纜間實(shí)際的電磁發(fā)射和串?dāng)_特征，因此結(jié)合實(shí)際電纜通道布置方式對(duì)電纜電磁場(chǎng)分布及串?dāng)_進(jìn)行建模分析十分必要。

電纜間串?dāng)_的建模與分析方法主要分為場(chǎng)分析法和路分析法。場(chǎng)分析法基于麥克斯韋方程，利用數(shù)值分析技術(shù)分析傳輸線的傳輸特性，計(jì)算精度較高但計(jì)算規(guī)模較大。而路分析法利用基爾霍夫定律建立并求解多導(dǎo)線傳輸線方程，獲取轉(zhuǎn)移阻抗矩陣和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納矩陣等分布參數(shù)，并得到電壓與電流響應(yīng)的時(shí)空演化規(guī)律。以此來(lái)分析傳輸特性，步驟相對(duì)簡(jiǎn)捷，計(jì)算精度較好。

Clayton.R.Pau在多導(dǎo)體線纜傳導(dǎo)耦合方面做了大量研究，給出了多種在時(shí)域和頻域下求解多導(dǎo)體傳輸線方程、提取傳輸線參數(shù)的方法，包括時(shí)域頻域變換法（TDFD）和時(shí)域有限差分法（FDTD）等[19]。文獻(xiàn)[20]基于多導(dǎo)體傳輸線理論建立了艦船艙室電纜串?dāng)_分析模型，并以此為基礎(chǔ)，在軟件CST電纜工作室中結(jié)合實(shí)際電路對(duì)不同種類(lèi)電纜進(jìn)行了配置，依據(jù)電纜截面結(jié)構(gòu)建立了電纜實(shí)體，仿真分析了電力電纜與信號(hào)電纜間的串?dāng)_特征。文獻(xiàn)[21]中基于時(shí)域有限元法分別對(duì)艦船平臺(tái)上的三相工頻、變頻及直流電力電纜在不同屏蔽情形下的近端磁場(chǎng)大小及屏蔽性能進(jìn)行了仿真分析，模型對(duì)金屬編織層進(jìn)行了模擬等效，實(shí)現(xiàn)了電力電纜在大電流激勵(lì)下附近磁場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算和編織網(wǎng)對(duì)低頻磁場(chǎng)屏蔽效能的評(píng)估，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的準(zhǔn)確性。

3 電磁兼容分析與計(jì)算方法

常用的電磁兼容分析與計(jì)算方法包括高頻近似法與低頻數(shù)值法。其中，高頻近似法主要有幾何繞射理論（GTD）、一致性幾何繞射理論（UTD）物理光學(xué)方法（PO）、幾何光學(xué)方法（GO）等。高頻近似法適用于計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)，利用了高頻情況下電磁波類(lèi)似與光波的性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于電大尺寸物體的輻射場(chǎng)和散射場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算速度快，節(jié)省計(jì)算資源，但不易處理復(fù)雜的目標(biāo)體，無(wú)法滿足電力系統(tǒng)低頻電路設(shè)計(jì)與電磁兼容工程問(wèn)題的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算電磁學(xué)的發(fā)展，基于低頻數(shù)值方法建立的電磁兼容分析模型因其在精確性和直觀性上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在工程中得到了廣泛應(yīng)用，特別是眾多基于數(shù)值分析方法的電磁場(chǎng)商業(yè)軟件的出現(xiàn)，使得快速獲取復(fù)雜電磁場(chǎng)問(wèn)題的高精度離散解成為可能，也使此類(lèi)建模分析方法得到快速發(fā)展。

應(yīng)用較為廣泛的數(shù)值方法主要包括：

1）有限元方法（FEM），該方法是求解邊值問(wèn)題的數(shù)值過(guò)程，將連續(xù)區(qū)域離散為許多子域，在子域中將未知函數(shù)用帶有未知系數(shù)的簡(jiǎn)單插值函數(shù)表示，并由此將無(wú)限個(gè)自由度的原邊值問(wèn)題在轉(zhuǎn)化為有限個(gè)自由度的問(wèn)題，使得整個(gè)系統(tǒng)的解用有限數(shù)目的未知系數(shù)近似，最終通過(guò)求解方程組得到邊值問(wèn)題的解。其基本步驟包括區(qū)域的離散或網(wǎng)格剖分、選擇插值函數(shù)、建立方程組并求解。

2）時(shí)域有限差分方法（FDTD），該方法將電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量在空間和時(shí)間上交錯(cuò)采樣，通過(guò)這種離散方式將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)化為差分方程，并在時(shí)域上逐步求解空間電磁場(chǎng)。

3）頻域有限差分方法（FDFD），該方法與FDTD法相類(lèi)似，是將麥克斯韋方程組進(jìn)行有限差分近似的結(jié)果，使用時(shí)諧差分形式的方程。但由于沒(méi)有時(shí)間步進(jìn)，其網(wǎng)格間距需保持均勻。

4）傳輸線方法（TLM），該方法通過(guò)將求解域劃分為網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間用傳輸線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)空間域離散，利用迭代運(yùn)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)時(shí)間域離散。通過(guò)建立網(wǎng)格中傳輸線上電壓和電流與麥克斯韋方程組中電磁場(chǎng)的等效關(guān)系，將場(chǎng)的空間傳播問(wèn)題等效為離散的電壓（電流）波在網(wǎng)格中的傳播問(wèn)題，可用于二維或三維輻射場(chǎng)分析。

5）矩量法（MoM）或邊界元法（BEM），該方法為全波分析方法，通過(guò)將復(fù)雜的積分方程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的線性方程來(lái)進(jìn)行求解，對(duì)于求解天線細(xì)線模型或者連接在大導(dǎo)電面上的線段問(wèn)題特別有效[22]。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代艦船大量新型裝備的列裝使電力系統(tǒng)容量和復(fù)雜度不斷提升，電磁干擾與兼容性問(wèn)題逐漸凸顯，保證電力系統(tǒng)可靠、高質(zhì)量運(yùn)行成為保障全船遂行任務(wù)能力的重要因素。同時(shí)，艦船艙室結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備眾多，系統(tǒng)及設(shè)備安裝后調(diào)整空間有限，在設(shè)計(jì)階段即對(duì)系統(tǒng)電磁兼容性進(jìn)行建模分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)顯得尤為重要。

各國(guó)工程技術(shù)人員針對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)電磁兼容建模與預(yù)測(cè)方法已經(jīng)開(kāi)展了諸多有益研究與探索，本文探討了電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要價(jià)值以及當(dāng)前電力系統(tǒng)電磁兼容建模分析方法研究的最新進(jìn)展，同時(shí)對(duì)電磁兼容分析相關(guān)計(jì)算方法和特點(diǎn)進(jìn)行了梳理。但電力系統(tǒng)電磁兼容性問(wèn)題是受系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境影響的綜合性工程問(wèn)題，除設(shè)備單機(jī)應(yīng)通過(guò)電磁兼容性驗(yàn)證考核外，還應(yīng)保證系統(tǒng)整體在艦船環(huán)境下的兼容性。系統(tǒng)的建模分析、預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)應(yīng)考慮艦船復(fù)雜電磁環(huán)境與不同電磁干擾模式，綜合利用多種方法，并能夠?qū)崿F(xiàn)工程驗(yàn)證。目前的系統(tǒng)電磁兼容分析和設(shè)計(jì)還存在一定局限性，在許多方面有待進(jìn)一步研究和開(kāi)展工作：

1）深入研究面向艦船復(fù)雜電磁環(huán)境、復(fù)雜電路拓?fù)渑c空間結(jié)構(gòu)影響下的電磁兼容建模仿真方法，增強(qiáng)分析預(yù)測(cè)的有效性和適用性；

2）將艦船電力系統(tǒng)電磁兼容建模分析、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工工藝管控與電磁環(huán)境檢測(cè)作為有機(jī)整體進(jìn)行統(tǒng)籌，探索在各階段加強(qiáng)系統(tǒng)電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的方法；

3）加強(qiáng)艦船EMC仿真能力建設(shè)，推進(jìn)包括計(jì)算電磁學(xué)、場(chǎng)路綜合系統(tǒng)分析技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)艦船EMC數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展；改變強(qiáng)測(cè)試、重整改、弱設(shè)計(jì)的研發(fā)模式，為規(guī)范艦船電磁兼容性控制的技術(shù)與管理要素提供理論支撐。

[1] 付立軍, 劉魯鋒, 王剛,馬凡, 葉志浩, 紀(jì)鋒, 劉路輝. 我國(guó)艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].中國(guó)艦船研究, 2016, 11(01): 72-79.

[2] 羅偉, 孫朝暉, 方斌. 船舶綜合電力系統(tǒng)研究的新進(jìn)展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(12): 105-109.

[3] 馬偉明. 電力電子在艦船電力系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(05): 1-7.

[4] 劉漢宇, 王偉. 電力電子化趨勢(shì)下的艦船電力系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題[J]. 船舶, 2019, 30(02): 93-99.

[5] 范昕. 艦船電力系統(tǒng)電磁兼容性研究現(xiàn)狀綜述[J].中國(guó)艦船研究, 2013, 8(03): 78-84.

[6] 馬偉明, 張磊, 孟進(jìn). 獨(dú)立電力系統(tǒng)及其電力電子裝置的電磁兼容[M]. 科學(xué)出版社, 2007.

[7] 李穎, 譚偉, 王志雄. 系統(tǒng)級(jí)輻射類(lèi)電磁兼容預(yù)測(cè)和仿真分析方法研究[J]. 微波學(xué)報(bào), 2014(S2): 24-28.

[8] Yang L, Odendaal, WGH. Measurement-Based Method to Characterize Parasitic Parameters of the Integrated Power Electronics Modules[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(1): 54-62.

[9] Jin M, Weiming M, Power Converter EMI Analysis Including IGBT Nonlinear Switching Transient Model[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53:1577-1583.

[10] 李洪義, 閻毓杰, 吳宏悅. 艦艇開(kāi)關(guān)電源的低頻傳導(dǎo)干擾建模與仿真[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(04): 142-146.

[11] 朱達(dá). 艦船大功率逆變電源電磁干擾建模與噪聲抑制方法研究[D].南京師范大學(xué), 2018.

[12] Bertocco M, Sona A, Stellini M. Simplified approach for the analysis of PCB radiated emissions in the near field region[C] International Symposium on Electro-magnetic Compatibility Europe. IEEE, 2009.

[13] 白婉寧. 開(kāi)關(guān)電源輻射EMI噪聲分析與抑制的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京, 南京師范大學(xué), 2020.

[14] 賈圣鈺, 趙爭(zhēng)鳴, 施博辰, 朱義誠(chéng).電力電子系統(tǒng)電磁干擾數(shù)值建模分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào): 1-12.

[15] 范景華. 永磁同步電機(jī)電磁干擾特性及建模方法研究[D]. 成都, 電子科技大學(xué), 2019.

[16] 梁星星. 艦船交流電力推進(jìn)系統(tǒng)理論研究及其電磁兼容性研究[D]. 武漢, 華中科技大學(xué), 2006.

[17] 侯峰. 大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁干擾整改與治理研究[D]. 江蘇徐州, 中國(guó)礦業(yè)大學(xué). 2019.

[18] 公倩. 船舶電力系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾預(yù)測(cè)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[19] Clayton. R. Paul, Analysis of multi-conductor transmission lines, New York: John Wiley Sons, 1994.

[20] 秦萌濤, 宋文武, 王冬冬. 艦船艙室中電纜串?dāng)_分析[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2014, 40(03): 75-78.

[21] 豐安順. 艦船平臺(tái)上電纜的電磁兼容特性研究[D].南京, 東南大學(xué), 2019.

[22] Weston D A . Electromagnetic Compatibility Methods, Analysis, Circuits, and measurements[M]. Third Edition CRC press. 2017.

Review on Modeling and Analysis Methods for Electromagnetic Compatibility of Shipboard Power System

Chen Yuhang1, Zhang Zhengqing2, Shuai Xiaorui2, Wu Fang2, Liao Yuxiang2

（1. Military Representative Office of Shenyang Bureau in Huludao, Huludao 125003, China；2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

U674

A

1003-4862（2021）09-0060-05

2021-05-08

陳宇航（1991-），男，工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail:chen_yh316@126.com