区分垂直极化与水平极化分量的辐射电磁干扰预测方法

本发明属于电力电子电磁干扰预测，具体涉及区分垂直极化与水平极化分量的辐射电磁干扰预测方法。

背景技术：

1、随着电力电子变换器向高频化、高功率密度和高集成化方向发展，功率器件高速开关过程中产生的高频电压变化和电流变化不断增强，使变换器内部导体结构、功率回路以及外部连接线缆中存在更加明显的高频共模激励。该高频共模电流沿设备内部导电结构及外部连接线缆传播时，会形成相应的辐射电磁干扰，并通过空间电磁场形式向周围环境传播。

2、辐射电磁干扰在空间传播过程中具有明确的电磁极化特性，其辐射场通常可分解为相互正交的垂直极化分量和水平极化分量。对于电力电子变换器而言，由于内部导体结构、外部连接线缆布置方式以及高频共模电流分布具有较强的非均匀性，不同结构和不同频率下产生的垂直极化辐射与水平极化辐射贡献存在明显差异。因此，仅采用辐射场总幅值进行预测，难以揭示不同极化方向对应的辐射来源及其变化规律。

3、然而，现有辐射电磁干扰预测方法通常直接建立激励源、电流分布与辐射场强之间的关系，重点关注整体辐射场强幅值，而未对辐射场中的不同极化分量进行独立建模和分析。当变换器结构或连接线缆方向发生变化时，不同极化方向对应的辐射贡献可能发生改变，传统方法难以进一步判断某一频率范围内的主要辐射极化方向以及极化特征随频率变化的规律。

4、因此，需要建立一种能够针对电力电子变换器辐射电磁干扰中的垂直极化分量和水平极化分量进行独立描述与预测的方法，实现双极化辐射结果分析，为电力电子装备结构优化和电磁兼容设计提供依据。

技术实现思路

1、本发明提供以下技术方案：区分垂直极化与水平极化分量的辐射电磁干扰预测方法，包括以下步骤：

2、步骤1、构建双极化有效辐射长度模型：以电力电子变换器及其外部连接线缆为辐射电磁干扰预测对象，根据设备实际安装状态和真实地面方向确定垂直极化基准方向和水平极化基准平面，将垂直真实地面向上的单位矢量定义为垂直极化单位矢量；将外部连接线缆划分为段辐射单元，根据第段线缆的方向长度矢量，分别确定该段线缆对应的垂直极化有效辐射长度矢量和水平极化有效辐射长度矢量，以表征线缆结构对垂直极化辐射和水平极化辐射的几何作用；

3、步骤2、构建外部连接线缆共模电流模型：根据电力电子变换器端口的共模噪声电压、共模噪声源至外部连接线缆端口之间的传播路径阻抗以及外部连接线缆在电力电子变换器端口处呈现的端口阻抗，确定流入外部连接线缆的共模激励电流；进一步结合共模电流传播常数、线缆终端共模电流反射系数、线缆总路径长度以及外部连接线缆起始端至第段线缆中心位置的路径长度，确定第段线缆中心位置处的共模电流；

4、步骤3、构建垂直极化与水平极化辐射函数模型：根据各辐射单元对应的共模电流，确定归一化共模电流系数；根据第段线缆中心位置与预测位置之间的空间关系，确定传播距离、传播方向单位矢量以及预测频率对应的波数；结合垂直极化有效辐射长度矢量、水平极化有效辐射长度矢量及传播相位，对各段辐射贡献进行相干叠加，分别得到预测位置处的垂直极化辐射函数和水平极化辐射函数矢量；

5、步骤4、构建垂直极化与水平极化辐射电磁干扰场强模型：根据垂直极化辐射函数和水平极化辐射函数矢量，分别确定垂直极化归一化辐射强度和水平极化归一化辐射强度，并基于相同的总辐射归一化基准分别得到垂直极化方向性增益和水平极化方向性增益；进一步将共模激励电流、传播介质波阻抗、外部连接线缆辐射效率、端口辐射电阻及对应极化方向性增益进行关联，分别得到预测位置处的垂直极化辐射电磁干扰场强和水平极化辐射电磁干扰场强；

6、步骤5、构建双极化频谱及主导极化判定模型：在目标预测频段内设置个频率采样点，根据各频率采样点对应的垂直极化辐射电磁干扰场强和水平极化辐射电磁干扰场强，分别形成垂直极化辐射电磁干扰预测频谱和水平极化辐射电磁干扰预测频谱；进一步计算各频率采样点处的双极化场强差，并根据的正负关系确定对应频率采样点处的主导极化；

7、步骤6、构建双极化辐射电磁干扰预测结果序列：将目标预测频段内各频率采样点对应的垂直极化辐射电磁干扰场强、水平极化辐射电磁干扰场强、双极化场强差以及主导极化按照频率采样顺序进行统一关联和序列化组织，形成双极化辐射电磁干扰预测结果序列；根据相邻频率采样点对应的双极化场强差的变化识别垂直极化与水平极化主导关系发生转换的极化转换频率，并形成极化转换频率集合。

8、基于所述双极化辐射电磁干扰预测结果序列和极化转换频率集合，实现垂直极化与水平极化辐射电磁干扰频谱独立预测、指定频率下双极化辐射特性预测以及目标预测频段内主导极化变化规律预测。

9、优选的，所述步骤1中，第段线缆对应的垂直极化有效辐射长度矢量为：

10、（1）

11、水平极化有效辐射长度矢量为：

12、（2）

13、式中，表示垂直真实地面向上的垂直极化单位矢量；表示第段外部连接线缆的方向长度矢量；和分别表示第段线缆的垂直极化有效辐射长度矢量和水平极化有效辐射长度矢量。

14、优选的，所述步骤2中，共模激励电流为：

15、（3）

16、第段线缆中心位置处的共模电流为：

17、（4）

18、式中，表示预测频率；表示电力电子变换器端口的共模噪声电压；表示共模噪声源至外部连接线缆端口之间的传播路径阻抗；表示外部连接线缆在电力电子变换器端口处呈现的端口阻抗；表示外部连接线缆起始端至第段线缆中心位置的路径长度；表示外部连接线缆的总路径长度；表示共模电流传播常数；表示线缆终端的共模电流反射系数。

19、优选的，所述步骤3中，第段线缆对应的归一化共模电流系数为：

20、（7）

21、第段线缆中心位置至预测位置的传播距离为：

22、（9）

23、传播方向单位矢量为：

24、（10）

25、预测频率对应的波数为：

26、（11）

27、垂直极化辐射函数为：

28、（12）

29、水平极化辐射函数矢量为：

30、（14）

31、式中，表示外部连接线缆分段总数；和分别为传播介质的磁导率和介电常数；表示虚数单位。

32、优选的，所述步骤4中，垂直极化归一化辐射强度和水平极化归一化辐射强度分别为：

33、（16）

34、（18）

35、垂直极化方向性增益为：

36、（20）

37、水平极化方向性增益为：

38、（22）

39、垂直极化辐射电磁干扰场强为：

40、（24）

41、水平极化辐射电磁干扰场强为：

42、（27）

43、式中，ω 表示包围电力电子变换器及其外部连接线缆的闭合远场方向域；dω′表示立体角微元；表示传播介质的波阻抗；表示外部连接线缆在频率下的辐射效率；表示外部连接线缆端口的辐射电阻。

44、优选的，所述步骤5中，在目标预测频段设置频率采样点，，并根据和分别构建垂直极化辐射电磁干扰预测频谱和水平极化辐射电磁干扰预测频谱。

45、各频率采样点处的双极化场强差为：

46、（32）

47、根据双极化场强差的正负关系确定对应频率采样点处的主导极化：

48、（33）

49、式中，v表示垂直极化辐射占主导，h表示水平极化辐射占主导，e表示垂直极化与水平极化辐射场强相等。

50、优选的，所述步骤6中，将目标预测频段内各频率采样点的频率、垂直极化辐射电磁干扰场强、水平极化辐射电磁干扰场强、双极化场强差以及主导极化按照频率采样顺序进行关联，形成双极化辐射电磁干扰预测结果序列：

51、（36）

52、进一步将目标预测频段内识别得到的全部极化转换频率进行组合，形成极化转换频率集合：

53、（37）

54、式中，表示预测位置处的双极化辐射电磁干扰预测结果序列；表示目标预测频段内第个垂直极化与水平极化主导关系发生转换的频率；表示极化转换频率总数；表示预测位置处目标预测频段内的极化转换频率集合。

55、更优的，基于步骤6输出，辐射电磁干扰预测方法实现以下功能中的至少一种：

56、a、输出垂直极化与水平极化辐射电磁干扰频谱独立预测结果。

57、b、输出指定频率下的双极化辐射特性预测结果。

58、c、输出目标预测频段内的主导极化变化规律预测结果。

59、本发明的有益效果是：

60、1.本发明实现了电力电子变换器辐射电磁干扰双极化分量的解耦预测。通过构建双极化辐射电磁干扰预测结果序列，可分别完成垂直极化与水平极化辐射频谱的独立预测分析，突破了传统整体幅值分析方法维度单一、信息缺失的局限，能够完整、精细地刻画不同极化方向辐射干扰的频谱分布特征，精准区分两类极化分量在全频段范围内的辐射贡献差异。

61、2.本发明支持多场景、多维度的极化特性分析，既可实现指定单一频率下垂直极化、水平极化的辐射特性定量预测，精准获取特定频点的极化辐射强度与分布特征；又可实现目标预测频段内主导极化类型的动态识别，有效捕捉不同频率区间内主导辐射极化方向的切换规律与极化特征演变趋势，解决了传统方法无法判断频段主导极化、无法表征极化随频率变化规律的行业痛点。

62、3.本发明为电力电子变换器的电磁兼容精细化设计与结构优化提供了可靠的数据支撑与理论依据。基于双极化分量的独立预测结果，工程人员可精准定位不同结构、不同线缆布局所对应的极化辐射干扰源头，针对性开展变换器本体结构优化、外部线缆布置整改、高频回路布局优化等电磁兼容改进工作，有效提升电力电子装备的电磁干扰抑制效果，降低设备辐射超标风险，保障电力电子系统在高频、高集成、高密度工况下的稳定可靠运行，具备良好的工程实用性与推广应用前景。