CN117521450A - 电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子功率柜监测技术领域，尤其涉及一种电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质，该方法通过两次不同密度的初始粗网格计算所得出的数据结果，获取网格密度与温度的相关性，利用网格密度与温度的相关性得出高密度下的电力电子功率柜温度，避免了高密度网格的逐一计算，降低了高密度网格的计算规模及计算难度，提高了计算效率，并且具有较高的准确性，为功率柜的设计、优化和性能评估提供了可靠的技术支持。同时，随着高密度网格的计算规模的降低，其对计算机内存和处理器资源占用空间大大降低，减少资源损耗。解决现有技术中存在的有限元法计算功率柜内部元件的温度时，计算网格密度大，计算时间长，计算效率低的问题。

Description

电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及电力电子功率柜监测技术领域，具体为一种电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质，尤其是一种基于有限体积法的电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
电力电子功率柜是一种用于电力电子设备和系统的装置，用于变换和调节电能的电压、电流以及功率。在电力系统中，电力电子功率柜扮演着重要角色，用于管理、控制和分配电能，因此，监测电力电子功率柜温度对电力电子设备和系统的稳定运行具有重要的作用。
为了准确计算功率柜内部元件的温度问题，通常使用有限元法或者有限体积法。其中，有限元分析法是通过将功率柜内部各元件划分为离散的小区域，并在每个小区域中计算温度，最后将这些小区域的温度数据进行离散化的数值计算得出近似的温度分布。这种方法需要构建复杂的网格，使得每个小区域的温度均可以近似地表示。由于功率柜内部结构的复杂性，以及温度计算准确性的要求，需要构建复杂的网格并进行大量的数值计算，特别是功率柜内部的高温零部件，为了获得准确的元件温度，需要更高的网格密度，这样就使得整体模型的网格密度迅速提高，导致计算时间很长，同时，有限元分析法对计算机的要求较高，构建高密度的网格和计算繁琐的数值会占用极高的内存和处理器资源，如果网格数量过多，则会导致计算效率降低，计算时间过长，甚至可能超出计算机容量限制，无法完成计算。有限元分析法的准确性和计算结果的精度与网格的选择和划分密切相关。不合适的网格划分可能会导致温度分布的不准确或者需要进一步细化网格来获得更高的准确性，进而会增加计算复杂度，导致资源损耗。
发明内容
针对现有技术中存在的有限元法计算功率柜内部元件的温度时，计算网格密度大，计算时间长，计算效率低的问题，本发明提供一种电力电子功率柜温度计算方法、系统、设备及存储介质。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供一种电力电子功率柜温度计算方法，包括以下步骤：
利用预建立的电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真；
根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量；
在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；
利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；
根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度。
进一步地，所述电力电子功率柜三维仿真模型包括不同工况下的电力电子元件的热特参数和算法模型。
优选地，所述两个不同密度的网格的温度数据为电力电子功率柜三维仿真结果中两个密度最小的网格的温度数据。
进一步地，所述粗网格密度与温度的相关性为：
logT＝klogX+b
其中，T为温度，X为粗网格中网格数量，k和b均为指定工况下的常数。
进一步地，根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度的方法为：
将两个不同密度的粗网格的网格数量和温度数据代入粗网格密度与温度的相关性中，得到指定工况下的两个相关性的常数；
将得到指定工况下的两个相关性的常数和网格数量，代入粗网格密度与温度的相关性中，计算得到电力电子功率柜的温度。
进一步地，电力电子功率柜的温度计算结束后，对电力电子功率柜的温度计算结果进行误差验证，方法为：
在控制所有变量不变的前提下，加大电力电子功率柜三维仿真模型中网格数量，进行二次仿真；
获取二次仿真指定工况下的网格和网格数量；
在取二次仿真指定工况下的网格中，获取取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据；
利用取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据，获取取二次仿真粗网格密度与温度的相关性；
根据取二次仿真粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算取二次仿真电力电子功率柜的温度；
将二次仿真电力电子功率柜的温度与电力电子功率柜的温度做差，得到差值；
将差值与二次仿真电力电子功率柜的温度之比乘以100％，得到电力电子功率柜的温度计算结果误差。
优选地，所述误差为0.49％。
一种电力电子功率柜温度计算系统，包括：
仿真模块：用于利用预建立的电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真；
网格获取模块：用于根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量；
网格选取模块：用于在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；
相关性获取模块：用于利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；
温度计算模块：用于根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种电力电子功率柜温度计算方法，该方法通过建立电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真，获取指定工况下的网格和网格数量；然后，在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据，利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；最后，根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度。即通过两次不同密度的初始粗网格计算所得出的数据结果，获取网格密度与温度的相关性，利用网格密度与温度的相关性得出高密度下的电力电子功率柜温度，避免了高密度网格的逐一计算，降低了高密度网格的计算规模及计算难度，提高了计算效率，并且具有较高的准确性，为功率柜的设计、优化和性能评估提供了可靠的技术支持。同时，随着高密度网格的计算规模的降低，其对计算机内存和处理器资源占用空间大大降低，减少资源损耗。
本发明还提供一种电力电子功率柜温度计算系统，通过设置用于建立电力电子功率柜三维仿真模型的模型建立模块、用于利用电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真的仿真模块、用于根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量的网格获取模块、用于在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据的网格选取模块、用于利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性的相关性获取模块和用于根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜温度的温度计算模块，实现两次不同密度的初始粗网格计算所得出的数据结果，获取网格密度与温度的相关性，利用网格密度与温度的相关性得出高密度下的电力电子功率柜温度，降低了高密度网格的计算规模，计算效率高且占用空间低，资源损耗低，对计算机性能要求低。
提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤，计算效率高且结果准确。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤，计算速度快，结果准确。
附图说明
图1为本发明的一种电力电子功率柜温度计算方法的示意图。
图2为本发明的一种电力电子功率柜温度计算系统结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开了一种电力电子功率柜温度计算方法，包括以下步骤：
建立电力电子功率柜三维仿真模型；所述电力电子功率柜三维仿真模型包括不同工况下的电力电子元件的热特参数和算法模型。
S1：利用预建立的电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真。
S2：根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量。
S3：在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；优选地，所述两个不同密度的粗网格的温度数据为电力电子功率柜三维仿真结果中两个密度最小的网格的温度数据。该温度数据是通过均是温度流场计算结果，温度流体场的计算则是通过计算流体的质量守恒，能量守恒与动能守恒三大方程实现的。
S4：利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；所述粗网格密度与温度的相关性为：
logT＝klogX+b
其中，T为温度，X为粗网格中网格数量，k和b均为指定工况下的常数。
S5：根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度，方法为：
将两个不同密度的粗网格的网格数量和温度数据代入粗网格密度与温度的相关性中，得到指定工况下的两个相关性的常数；
将得到指定工况下的两个相关性的常数和网格数量，代入粗网格密度与温度的相关性中，计算得到电力电子功率柜的温度。
最后，电力电子功率柜的温度计算结束后，对电力电子功率柜的温度计算结果进行误差验证，方法为：
在控制所有变量不变的前提下，加大电力电子功率柜三维仿真模型中网格数量，进行二次仿真；
获取二次仿真指定工况下的网格和网格数量；
在取二次仿真指定工况下的网格中，获取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据；
利用取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据，获取取二次仿真粗网格密度与温度的相关性；
根据取二次仿真粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算取二次仿真电力电子功率柜的温度；
将二次仿真电力电子功率柜的温度与电力电子功率柜的温度做差，得到差值；
将差值与二次仿真电力电子功率柜的温度之比乘以100％，得到电力电子功率柜的温度计算结果误差。
例如，以某一电力电子功率柜温度计算为例：建立电力电子功率柜三维仿真模型；所述电力电子功率柜三维仿真模型包括不同工况下的电力电子元件的热特参数和算法模型；然后，利用电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真；根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量；在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；优选地，所述两个不同密度的粗网格的温度数据为电力电子功率柜三维仿真结果中两个密度最小的网格的温度数据，然后，利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性为：
logT＝klogX+b
其中，T为温度，X为粗网格中网格数量，k和b均为指定工况下的常数。
参见下表：
根据上表中的数据，粗网格1的网格数量X1为111087，对应温度为39.62，粗网格2的网格数量X2为393450，对应温度为40.09，代入粗网格密度与温度的相关性的公式中，得到两个指定工况下的常数k为9.199*10-3和b的值为1.552；
将得到指定工况下的两个相关性的常数和网格数量，代入粗网格密度与温度的相关性中，得到，其相关性实际为：
logT＝9.199×10-3logX+1.552
将网格数量X为1374951代入上述式子中得到温度为40.53℃；
计算得到电力电子功率柜的温度为40.53℃。
对电力电子功率柜的温度计算结果进行误差验证，方法为：
在控制所有变量不变的前提下，加大电力电子功率柜三维仿真模型中网格数量，进行二次仿真；
获取二次仿真指定工况下的网格和网格数量；
在取二次仿真指定工况下的网格中，获取取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据；
利用取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据，获取取二次仿真粗网格密度与温度的相关性；
根据取二次仿真粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算取二次仿真电力电子功率柜的温度为40.55；
将二次仿真电力电子功率柜的温度与电力电子功率柜的温度做差，得到差值；
将差值与二次仿真电力电子功率柜的温度之比乘以100％，得到电力电子功率柜的温度计算结果误差，即
ΔT＝40.55-40.53
其中，ΔT为差值，T’为二次仿真电力电子功率柜的温度。
参见图2，一种电力电子功率柜温度计算系统，包括：
模型建立模块：用于建立电力电子功率柜三维仿真模型；
仿真模块：用于利用电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真；
网格获取模块：用于根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量；
网格选取模块：用于在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；
相关性获取模块：用于利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；
温度计算模块：用于根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度。
本发明提供一种终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
综上所述，本发明为解决现有技术中功率柜内部元件的温度时，计算网格密度大，计算时间长，计算效率低的问题，提供了一种基于有限体积法的电力电子功率柜温度计算方法、系统设备及存储介质，该方法基于稳态热传导方程，包括考虑功率柜内电子器件产生的热源项，并考虑功率柜表面与周围环境之间的热对流和热辐射传递并结合功率柜内部的温度传感器测量数据，通过数据同化和最优化算法，对温度模型进行参数校准和优化；同时，考虑功率柜内各个器件的功率耗散分布，并基于功率分布进行温度场的计算，即基于有限体积法对电力电子功率柜进行仿真模拟，然后通过获取仿真模拟中两个人不同密度的粗网格的温度数据，得到温度与网格密度的相关性，利用温度与网格密度的相关性计算给定工况下的功率柜的温度，避免了高密度网格计算，简化了原有的计算方式，降低了计算规模，提升了计算效率，为功率柜的设计、优化和性能评估提供了可靠的技术支持。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用预建立的电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真；
根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量；
在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；
利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；
根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度。
2.根据权利要求1所述的电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，所述电力电子功率柜三维仿真模型包括不同工况下的电力电子元件的热特参数和算法模型。
3.根据权利要求1所述的电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，所述两个不同密度的网格的温度数据为电力电子功率柜三维仿真结果中两个密度最小的网格的温度数据。
4.根据权利要求1所述的电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，所述粗网格密度与温度的相关性为：
logT＝klomgX+b
其中，T为温度，X为粗网格中网格数量，k和b均为指定工况下的常数。
5.根据权利要求1所述的电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度的方法为：
将两个不同密度的粗网格的网格数量和温度数据代入粗网格密度与温度的相关性中，得到指定工况下的两个相关性的常数；
将得到指定工况下的两个相关性的常数和网格数量，代入粗网格密度与温度的相关性中，计算得到电力电子功率柜的温度。
6.根据权利要求1所述的电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，电力电子功率柜的温度计算结束后，对电力电子功率柜的温度计算结果进行误差验证，方法为：
在控制所有变量不变的前提下，加大电力电子功率柜三维仿真模型中网格数量，进行二次仿真；
获取二次仿真指定工况下的网格和网格数量；
在取二次仿真指定工况下的网格中，获取取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据；
利用取二次仿真两个不同密度的粗网格的温度数据，获取取二次仿真粗网格密度与温度的相关性；
根据取二次仿真粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算取二次仿真电力电子功率柜的温度；
将二次仿真电力电子功率柜的温度与电力电子功率柜的温度做差，得到差值；
将差值与二次仿真电力电子功率柜的温度之比乘以100％，得到电力电子功率柜的温度计算结果误差。
7.根据权利要求6所述的电力电子功率柜温度计算方法，其特征在于，所述误差为0.49％。
8.一种电力电子功率柜温度计算系统，其特征在于，包括：
仿真模块：用于利用预建立的电力电子功率柜三维仿真模型，进行电力电子功率柜三维仿真；
网格获取模块：用于根据电力电子功率柜三维仿真结果，获取指定工况下的网格和网格数量；
网格选取模块：用于在指定工况下的网格中，获取两个不同密度的粗网格的温度数据；
相关性获取模块：用于利用两个不同密度的粗网格的温度数据，获取粗网格密度与温度的相关性；
温度计算模块：用于根据粗网格密度与温度的相关性和网格数量，计算电力电子功率柜的温度。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
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