三相四线制自然散热电源转换方法及系统与流程

本发明涉及电源转换，尤其涉及三相四线制自然散热电源转换方法及系统。

背景技术：

1、三相四线制电源系统中的谐波、无功与不平衡补偿通常采用有源电力滤波器（apf）或静止无功发生器（svg）实现。现有常规做法基于瞬时功率理论提取负序电流与零序电流分量，生成补偿电流指令后，由多组并联的功率变换单元共同承担补偿任务。各变换单元的输出功率按照额定容量均分或依据预先设定的固定比例分配，补偿电流通过pwm调制生成，控制目标集中于实现电网电流的平衡与正弦化，对变换单元自身的损耗分布与热状态鲜有主动考量。

2、在自然散热条件下，多组功率变换单元的空间位置布局差异显著影响散热效率。常规的固定比例或等额任务分配方式未将散热路径长度、器件热阻及局部空气对流特性纳入分配依据，导致位于散热路径不畅区域的变换单元承受与实际散热能力不匹配的功率损耗。这种非均衡的热载会引起局部结温升高，加速功率半导体器件的老化与失效，降低系统长期运行可靠性。热应力集中区域若持续存在，还可能诱发焊层疲劳、封装开裂等潜在故障，迫使系统降额运行或计划外停运。

3、现有方法普遍缺乏对变换单元结温的闭环监测与任务分配的动态调整机制，这种开环式的热管理方式无法充分利用各变换单元的散热裕度，在负载波动或环境温度变化时，容易因局部过热而提前中断补偿服务，制约系统的连续运行能力与功率密度提升空间。

技术实现思路

1、本发明实施例提供三相四线制自然散热电源转换方法及系统，能够解决现有技术中的问题。

2、本发明实施例的第一方面，提供三相四线制自然散热电源转换方法，包括：

3、采集三相四线制电源系统的各相线电流、各相线电压与中性线电流，基于瞬时功率理论分解得到负序电流矢量与零序电流矢量；

4、根据所述负序电流矢量与零序电流矢量生成各相的补偿电流指令，并依据补偿电流指令的幅值与频率特征将补偿任务分配至多组双向功率变换单元，通过损耗模型预测各双向功率变换单元的功率损耗分布；

5、基于所述功率损耗分布与各双向功率变换单元的空间布局位置，建立热传导与自然对流的耦合模型，计算稳态温度场并识别热应力集中区域；

6、根据所述热应力集中区域，将功率损耗较大的补偿任务优先分配至散热路径较短的双向功率变换单元，并降低热应力集中区域对应单元的开关频率，形成任务分配方案；

7、控制各双向功率变换单元输出补偿电流，持续监测补偿后的三相电流平衡度与各单元结温，当各单元结温超过温度阈值时，将偏差反馈至任务分配环节调整分配权重。

8、采集三相四线制电源系统的各相线电流、各相线电压与中性线电流，基于瞬时功率理论分解得到负序电流矢量与零序电流矢量，包括：

9、通过电流传感器同步采集三相相线电流与中性线电流，通过电压传感器同步采集三相相线电压；

10、对三相相线电流进行滑动窗口滤波，窗口长度根据三相相线电压的基波周期自适应调整，得到滤波后相线电流；将滤波后相线电流与三相相线电压进行旋转坐标变换至同步旋转坐标系，得到直轴电流分量与交轴电流分量；

11、从直轴电流分量与交轴电流分量中分别提取直流成分与倍频交流成分，倍频交流成分构成负序电流在同步旋转坐标系下的分量；

12、对负序电流在同步旋转坐标系下的分量进行逆旋转变换至两相静止坐标系，得到负序电流正交分量并合成负序电流矢量；将中性线电流作为零序电流矢量的幅值，零序电流矢量的相位角与三相相线电压中第一相电压的相位保持一致，完成负序电流矢量与零序电流矢量的分解。

13、根据所述负序电流矢量与零序电流矢量生成各相的补偿电流指令，并依据补偿电流指令的幅值与频率特征将补偿任务分配至多组双向功率变换单元，通过损耗模型预测各双向功率变换单元的功率损耗分布，包括：

14、对所述负序电流矢量与零序电流矢量进行坐标逆变换得到各相的补偿电流指令，对补偿电流指令进行时频分析，将时间占比超过预设比例的分量标记为持续性补偿分量，将峰值幅值超过预设倍数的分量标记为瞬态冲击分量；

15、建立各双向功率变换单元之间的热阻网络，热阻网络中各支路的热阻值由单元间距与对流换热系数确定，根据持续性补偿分量计算各单元的平均功率损耗，根据瞬态冲击分量计算各单元的峰值功率损耗；

16、将平均功率损耗作为热阻网络的节点热源进行稳态热分析，识别稳态温度超过预设阈值的单元，提取超阈值单元与相邻单元构成的空间区域作为热应力集中区域；

17、将热应力集中区域内最高温度单元的持续性补偿分量转移至区域外最低温度单元，更新平均功率损耗并重新进行稳态热分析，迭代执行任务转移与稳态热分析直至所有单元温度达标；

18、将峰值功率损耗与瞬态冲击分量的持续时间叠加至稳态温度进行瞬态热分析，输出包含平均功率损耗与峰值功率损耗的功率损耗分布。

19、建立各双向功率变换单元之间的热阻网络，热阻网络中各支路的热阻值由单元间距与对流换热系数确定，根据持续性补偿分量计算各单元的平均功率损耗，根据瞬态冲击分量计算各单元的峰值功率损耗，包括：

20、获取各双向功率变换单元的空间坐标，构建以双向功率变换单元为顶点的空间连通图，在相邻的双向功率变换单元之间建立热阻支路，计算相邻双向功率变换单元之间的单元间距；

21、根据单元间距与环境流体的运动粘度计算努塞尔数，结合流体导热系数计算对流换热系数，将对流换热系数与单元间距关联确定热阻支路的热阻值，建立包含所有热阻支路的热阻网络；

22、对持续性补偿分量进行时域采样，提取采样序列中电流幅值的统计分布，根据电流幅值的均方根值确定导通损耗的时间平均值，根据电流幅值的变化频次确定开关损耗的时间平均值，得到平均功率损耗；

23、识别瞬态冲击分量中电流幅值的极值点，提取极值点对应的电流峰值与电流上升斜率，根据电流峰值确定极值点处的瞬态导通损耗，根据电流上升斜率确定极值点处的瞬态开关损耗，得到峰值功率损耗。

24、基于所述功率损耗分布与各双向功率变换单元的空间布局位置，建立热传导与自然对流的耦合模型，计算稳态温度场并识别热应力集中区域，包括：

25、根据功率损耗分布确定各双向功率变换单元的内部热源强度，基于空间布局位置确定单元间的热交换路径并提取路径的空间拓扑关系，将内部热源强度与空间拓扑关系关联形成热传导控制方程；

26、根据空间布局位置获取各双向功率变换单元表面与环境流体的接触边界面积，基于接触边界的温度差值计算环境流体的密度差值，根据密度差值在重力场中产生的浮升力确定流体运动速度场，根据流体运动速度场确定单元表面的对流换热强度；

27、将热传导控制方程的温度场作为流体运动速度场的驱动源，将对流换热强度作为热传导控制方程的散热边界，迭代更新温度场与流体运动速度场直至温度变化率低于收敛判据，获取收敛后的温度场作为稳态温度场；

28、计算稳态温度场在各双向功率变换单元内部的空间梯度分布，根据空间梯度分布与材料热膨胀系数获得热应变场，根据热应变场与材料弹性模量获得热应力场，识别热应力场中空间导数超过应力梯度限值的区域作为热应力集中区域。

29、根据所述热应力集中区域，将功率损耗较大的补偿任务优先分配至散热路径较短的双向功率变换单元，并降低热应力集中区域对应单元的开关频率，形成任务分配方案，包括：

30、识别热应力集中区域对应的双向功率变换单元，遍历各单元至散热器的物理连接路径，提取路径中串联导热层的材料类型与厚度参数，根据材料热导率与厚度参数确定各导热层的热阻，累加各导热层热阻形成单元的总散热热阻；

31、获取待执行补偿任务的功率时序曲线，对功率时序曲线进行时域积分获得周期内的累积能量，将累积能量作为补偿任务的热负荷表征量，建立补偿任务与热负荷表征量的对应关系；

32、将补偿任务的热负荷表征量与各单元的总散热热阻进行交叉匹配，在所有可能匹配组合中寻找热负荷表征量与总散热热阻乘积达到全局最小的组合，根据该组合确定补偿任务与双向功率变换单元的执行分配关系；

33、针对热应力集中区域对应的单元提取应力张量分量，对应力张量分量进行傅里叶变换获得应力频谱分布，从应力频谱分布中提取主导频率成分，将各单元的开关频率设定为避开主导频率成分的频率值，根据执行分配关系与频率值形成任务分配方案。

34、本发明实施例的第二方面，提供一种三相四线制自然散热电源转换系统，包括：

35、负序零序分解单元，用于采集三相四线制电源系统的各相线电流、各相线电压与中性线电流，基于瞬时功率理论分解得到负序电流矢量与零序电流矢量；

36、补偿分配预测单元，用于根据所述负序电流矢量与零序电流矢量生成各相的补偿电流指令，并依据补偿电流指令的幅值与频率特征将补偿任务分配至多组双向功率变换单元，通过损耗模型预测各双向功率变换单元的功率损耗分布；

37、热应力识别单元，用于基于所述功率损耗分布与各双向功率变换单元的空间布局位置，建立热传导与自然对流的耦合模型，计算稳态温度场并识别热应力集中区域；

38、热应力任务分配单元，用于根据所述热应力集中区域，将功率损耗较大的补偿任务优先分配至散热路径较短的双向功率变换单元，并降低热应力集中区域对应单元的开关频率，形成任务分配方案；

39、补偿监测反馈单元，用于控制各双向功率变换单元输出补偿电流，持续监测补偿后的三相电流平衡度与各单元结温，当各单元结温超过温度阈值时，将偏差反馈至任务分配环节调整分配权重。

40、本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

41、处理器；

42、用于存储处理器可执行指令的存储器；

43、其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。

44、本发明实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。

45、本方法通过瞬时功率理论分解负序与零序电流，显著提升了三相四线制系统中不平衡与零序谐波的补偿精度。补偿指令的生成直接依据电流矢量与中性线电流的动态特征，避免了传统方法中的相位延迟，实现毫秒级响应。各相补偿电流的独立控制使系统在严重不平衡工况下仍能保持三相电流平衡，有效降低中性线电流，减少公共电网的谐波污染与功率损耗。

46、基于损耗模型与空间布局的热耦合分析，精准预测稳态温度场分布并定位热应力集中区域。将高损耗补偿任务优先分配至散热路径较短的单元，促使热量沿低热阻路径快速传导至自然散热界面。同时降低热应力集中区域的开关频率，避免局部热点导致的热失效，无需额外强制冷却装置。

47、持续监测补偿后的三相电流平衡度与各单元结温，形成闭环反馈调控。当结温超限时实时调整分配权重，动态平衡各单元的功率损耗与散热能力。这种自适应机制使各单元结温波动幅度得到有效控制，，且在负载突变或环境温度升高时保持系统可靠性。整个方法集成度高，实施成本低，特别适用于工业配电与新能源并网场景中的高效电能质量治理。