智能电网中电力电子设备的电磁兼容检测及对策

摘要：随着智能电网的快速发展，电力电子设备在电网中的应用日益广泛。电力电子设备在工作过程中产生的电磁干扰（EMI）问题，严重影响了电网的稳定性和安全性。所以对智能电网中电力电子设备的电磁兼容性（EMC）进行检测，并提出有效的对策，对于保障电网的正常运行具有重要意义。

关键词：智能电网；电力；电子设备；电磁兼容

引言：智能电网作为现代电力系统的重要组成部分，以其高效、可靠、灵活的特点，在能源管理、分配和使用中发挥着关键作用。随着电力电子设备的大量应用，电磁兼容性问题逐渐凸显，成为影响智能电网稳定运行的重要因素。本文旨在探讨智能电网中电力电子设备的电磁兼容检测方法及相应的对策[1]。

一、智能电网中电力电子设备的电磁兼容性问题

（一）电磁干扰的产生

电力电子设备作为智能电网能量转换与控制的核心部件，其高频开关特性在提升电网灵活性的同时，也带来了显著的电磁干扰问题。以IGBT、MOSFET为代表的功率半导体器件，在快速导通与关断过程中会产生陡峭的电压电流变化率（dv/dt、di/dt）。这种瞬态过程会在设备内部形成高频振荡，通过寄生参数耦合形成共模与差模干扰电流。传导路径方面，高频谐波通过电源线路反向注入电网，造成母线电压畸变；辐射路径方面，开关器件与散热器构成的偶极子天线效应，以及线路布局不当形成的电磁泄漏，都会向周围空间发射电磁波。设备间电磁干扰的叠加效应尤为值得关注。当多个变流器并联运行时，各单元产生的谐波分量可能形成复杂的谐振回路，导致特定频段的干扰强度倍增。特别是当设备工作频率接近电网固有谐振点时，可能引发系统性电磁振荡，威胁整个输配电网络的稳定性。此外，电力电子设备与无线通信系统的频谱重叠问题日益突出，5G通信频段与高频开关频率的交叉干扰已成为新型电磁兼容挑战[2]。

（二）电磁敏感性的影响

智能电网的数字化进程使得电力电子设备内部集成了大量微电子器件，这种精密化设计在提升控制精度的同时也降低了电磁抗扰度阈值。以DSP、FPGA为代表的控制芯片在遭遇瞬态脉冲干扰时，可能出现寄存器数据篡改、逻辑状态紊乱等异常现象。功率模块中的栅极驱动电路对电磁干扰尤为敏感，微秒级的电压尖峰即可导致IGBT误触发，引发桥臂直通故障。在系统层面，电磁干扰对测量环节的污染具有连锁效应。电流电压传感器的信号失真会直接导致控制算法误判，例如在柔性直流输电系统中，这种干扰可能引发错误的功率调度指令。保护装置的误动作风险同样不容忽视，当电磁噪声被采样电路误读为过流或过压信号时，可能触发非必要跳闸，造成供电中断事故。设备绝缘系统的电磁退化效应具有长期隐蔽性。高频电磁场持续作用于绝缘材料时，会加速介质损耗并引发局部放电，这种累积效应可能在设备运行数年后突然引发绝缘击穿。特别是采用新型宽禁带半导体器件的设备，其更高的开关频率使绝缘材料承受更严酷的高频电场应力，这对传统绝缘评估方法提出了新的挑战[3]。

二、智能电网中电力电子设备的电磁兼容检测方法

（一）辐射发射测试：场域耦合的精准捕捉

辐射发射测试的核心在于量化设备运行时向空间逸散的电磁能量。由于电力电子设备的高频开关动作会产生宽频段电磁波，测试要根据设备工作频段选择对应测量范围。测试环境通常满足电波暗室或开阔场条件，以消除背景噪声干扰。天线阵列的布设符合极化方向与设备辐射特性的匹配，例如针对变流器的机柜缝隙泄漏，采用近场探头进行三维扫描定位热点区域。测试过程中，设备在满载、轻载及瞬态切换等多工况下运行，捕捉最大辐射强度。对于兆瓦级大功率设备，还要考虑测试场地的功率容量限制，采用分频段递进式测量策略。数据分析阶段结合时频域联合诊断技术，区分基波谐波与随机噪声，避免误判。

（二）传导发射测试：路径阻抗的动态溯源

传导发射测试聚焦于设备通过电源线、信号线等有形路径对外传导的干扰电流。测试系统的关键环节在于构建标准化的线路阻抗网络（LISN），用于隔离电网背景噪声并模拟真实电网阻抗特性。共模与差模干扰的分离测量是技术难点，采用差分探头与共模扼流圈组合实现信号解耦。对于多端口设备，同步监测各端口的传导耦合效应，例如直流侧与交流侧的交叉干扰。

（三）电磁抗扰度测试：边界阈值的极限验证

电磁抗扰度测试通过施加可控干扰场强，检验设备在极端电磁环境下的功能完整性。测试需覆盖连续波干扰与瞬态脉冲两大类场景。辐射抗扰度测试中，采用横电磁波室（TEM Cell）或混响室模拟各向同性电磁场，尤其关注设备控制板卡、通信模块等敏感区域的场强分布。传导抗扰度测试需通过耦合钳或电流注入探头，向电源端口与信号端口注入标准规定的干扰波形，如IEC 61000-4系列定义的浪涌、电快速瞬变脉冲群（EFT）等。测试过程中需实时监测设备核心参数——当功率模块承受高频干扰时，需同步采集栅极驱动信号波形，判断是否出现误触发；对于数字化控制单元，通过总线监测工具捕捉通信误码率与时钟抖动数据。抗扰度等级判定结合性能降级曲线，例如允许设备在强干扰下短暂进入限幅运行状态，但禁止出现不可逆的功能失效[4]。

（四）测试系统的集成化与智能化趋势

随着电力电子设备拓扑结构的复杂化，传统单维度测试已难以满足需求。当前检测技术正向多物理场耦合测试方向发展，例如将电磁干扰测试与热力学参数、机械振动数据进行关联分析，揭示电磁-热-力多因素交互作用下的设备失效机理。人工智能技术的引入显著提升了测试效率：基于深度学习的干扰源识别算法可自动分类辐射频谱中的特征分量；数字孪生技术通过构建设备电磁模型，实现虚拟测试与实物试验的闭环验证。此外，无线传感网络的应用使得现场在线监测成为可能，通过部署微型电磁传感器阵列，实时追踪设备运行中的电磁干扰动态传播路径。

三、提高智能电网中电力电子设备电磁兼容性的对策

（一）加强电源滤波

为电力电子设备提供稳定、干净的电源，可以采用滤波器、稳压电源等措施，减少电源噪声对设备的影响。此外，还可以在电源输入端添加滤波电路，如LC滤波器、铁氧体磁珠等，以有效抑制高频噪声。

（二）采用电磁屏蔽措施

使用金属屏蔽罩、屏蔽电缆等措施，将电力电子设备内部的电路与外部环境隔离开来，减少电磁辐射和干扰的进入。对于敏感电路，可以使用带有屏蔽罩的元件，减少电磁干扰的影响。

（三）完善接地系统

接地是抑制电磁干扰的重要手段。在电力电子设备的设计和安装过程中，应确保良好的接地连接，避免多点接地或接地不良引起的参考电位波动。在多层PCB中，确保至少有一层完整的地平面，以提供良好的EMI抑制效果。

结语：

智能电网中电力电子设备的电磁兼容性问题是一个复杂而重要的问题。通过采用辐射发射测试、传导发射测试和电磁抗扰度测试等方法，可以对电力电子设备的电磁兼容性进行有效的检测。同时优化电路设计、加强电源滤波、采用电磁屏蔽措施、完善接地系统等对策，可以显著提高电力电子设备的电磁兼容性，保障智能电网的稳定运行。

参考文献：

[1]李建峰， 张志君， 王臻， 魏诗朦. 基于PEEC的电子设备电磁兼容层次化预测方法[J]. 自动化技术与应用， 2021， 40 （06）： 55-58.

[2]钟华彧. 船载电子设备电磁兼容检测技术分析[J]. 电子制作， 2020， （24）： 28-30.

[3]林珊珊， 赵明敏， 成睿琦， 郭震， 孙绍哲， 赵鹏， 杨志超. 变电站中电压采集单元混合电磁干扰研究[J]. 自动化仪表， 2020， 41 （03）： 11-16+20.

[4]段思凡. 基于敏感度特性的电子设备电磁兼容设计[J]. 赤峰学院学报（自然科学版）， 2019， 35 （04）： 117-120.