在可控核聚變裝置研發(fā)中，中性束注入（NBI）高壓電源是維持高溫等離子體的核心設備，需將常規(guī)工業(yè)網(wǎng)電轉(zhuǎn)化為高壓直流并穩(wěn)定輸出大功率，其精度與可靠性直接決定聚變裝置安全運行。針對NBI高壓電源研發(fā)無成熟方案、傳統(tǒng)樣機試錯模式風險高、成本高的問題，EasyGo半實物仿真平臺可實現(xiàn)電源拓撲建模、實時聯(lián)合調(diào)試與控制算法驗證，替代傳統(tǒng)研發(fā)模式，可顯著降低研發(fā)風險與成本，為該類電源全鏈條自主創(chuàng)新提供關鍵支撐。

背景介紹

在核聚變裝置的加熱系統(tǒng)中，中性束注入系統(tǒng)（NBI）是點燃與維持高溫等離子體的核心“點火器”。而其核心設備——基于負離子的中性束注入（N-NBI）高壓電源，其精度與可靠性直接決定了價值數(shù)十億的聚變裝置能否安全運行。隨著中國聚變工程實驗堆等國家重大科技基礎設施進入工程設計階段，其N-NBI電源的研發(fā)已無成熟商用方案可循。

傳統(tǒng)研發(fā)模式高度依賴物理樣機反復試錯，已難以滿足重大科技基礎設施的研發(fā)需求。為確保N-NBI高壓電源在極端等離子體物理環(huán)境下的可靠性、實時性與容錯能力，規(guī)避高成本、高風險的實物測試，基于硬件在環(huán)（HIL）的半實物仿真平臺已成為不可或缺的研發(fā)工具。

這種基于HIL的半實物仿真技術路徑，可有效替代傳統(tǒng)物理樣機試錯模式，在投入實物建造前，顯著降低超高電壓、超大功率場景下的研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，規(guī)避重大設備損壞的安全風險。

EasyGo N-NBI高壓電源解決方案

針對N-NBI高壓電源研發(fā)痛點，EasyGo半實物仿真平臺提供了全流程研發(fā)驗證方案。平臺支持用戶在Matlab Simulink上搭建PSM高壓電源拓撲，并通過EasyGo DeskSim軟件載入、部署到仿真設備中，從而與真實控制器進行聯(lián)合調(diào)試，高效完成控制算法驗證與拓撲結構優(yōu)化，從根本上替代傳統(tǒng)物理樣機試錯模式。

本文中我們基于EasyGo實時仿真平臺PXIBox實時仿真器，分別使用不對稱占空比控制和SPWM移相控制兩種控制方式，對N-NBI高壓電源模型進行了實時仿真聯(lián)合調(diào)試，充分驗證了平臺的實用性與可靠性。

仿真模型

本次仿真對象為中國聚變工程實驗堆（CFETR）中性束注入器（NBI）的核心動力源——N-NBI高壓電源。其設計目標是將35kV工業(yè)電網(wǎng)電能，轉(zhuǎn)化為1MV（100萬伏特）、功率高達數(shù)十兆瓦的穩(wěn)定直流高壓，用于加速并注入加熱等離子體的中性粒子束。

核心架構采用“模塊化串聯(lián)、高低壓分級處理”的創(chuàng)新設計，具體為從35kV電網(wǎng)取電，最終疊加輸出1MV直流高壓的五級串聯(lián)式精密電能處理系統(tǒng)。

電能變換流程如下：由專用 24 脈波相控整流變壓器降壓移相，為晶閘管相控整流器供電，可顯著抑制網(wǎng)側諧波，輸出寬范圍精準可調(diào)的 ±2500V 直流母線電壓；該直流電送入各級電源核心功率單元 ——I 型三相三電平 NPC 逆變橋，逆變?yōu)楦哳l交流后，經(jīng)變比 23.6 的隔離升壓變壓器初步升壓，再由高壓硅堆整流、串聯(lián)型 RC 濾波器濾波，最終輸出 200kV 平穩(wěn)直流電。

完全相同的五套上述功率模塊，將其輸出的200kV高壓在物理上直接串聯(lián)，合成所需的1MV終極高壓。其中，串聯(lián)型高壓濾波器的設計旨在故障時限制能量釋放，保護下游關鍵設備。

考慮到實時仿真時，FPGA中可以容納的拓撲規(guī)模是有限的。為串聯(lián)更多的子模塊，需要將拓撲模型進行分割。將低頻部分放入CPU中進行仿真，高頻部分放入FPGA中進行仿真。

具體分割方式為：分別測量左側的電壓與右側的電流，再以受控電壓源與受控電流源的形式傳遞所測電壓電流，做等效分割處理。

控制算法的仿真驗證

這里我們分別使用不對稱占空比控制、SPWM移相控制兩種控制方式，對該模型進行了實時仿真聯(lián)合調(diào)試。

1. 不對稱占空比控制

不對稱占空比控制可有效抑制輸出紋波、均衡開關器件損耗，其核心原理為：將PI輸出的補償偏差轉(zhuǎn)化為不對稱占空比分配，通過時序控制差異化調(diào)節(jié)開關導通時長，精準補償調(diào)制偏差，進一步降低紋波。

▌離線仿真

在800kV/50A 輸出工況和下，離線仿真電壓波形如圖：

在 400kV/50A 輸出工況下，離線仿真電壓波形如圖：

▌實時仿真

利用EasyGo DeskSim軟件與PXIBox仿真設備進行實時仿真，其仿真結果如下。

2. SPWM移相控制

SPWM移相控制能夠減小輸出諧波、提升波形質(zhì)量，實現(xiàn)等效載波頻率倍增，其核心原理為：將各子模塊/橋臂的SPWM調(diào)制信號按設定角度進行移相分配，使各單元輸出諧波相互抵消，大幅降低諧波含量，平滑輸出電壓波形。

▌離線仿真

800kV/50A輸出工況下的離線仿真波形如下圖所示：

400kV/50A輸出工況下的離線仿真波形如下圖所示：

▌實時仿真

利用EasyGo DeskSim軟件與PXIBox仿真設備進行實時仿真，結果如下：

以上仿真驗證表明，EasyGo實時仿真平臺能夠幫助研究人員在虛擬環(huán)境中精準優(yōu)化N-NBI高壓電源的拓撲結構、控制算法及系統(tǒng)保護策略，顯著縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，規(guī)避實物測試中可能出現(xiàn)的重大風險。

在核聚變裝置N-NBI高壓電源研發(fā)領域，實時仿真技術已成為銜接復雜理論設計與極端工況工程實踐的核心橋梁?；贓asyGo半實物仿真平臺的實時仿真解決方案，通過從離線建模到半實物驗證的全流程覆蓋，為研究人員提供了高效、安全的開發(fā)環(huán)境，助力控制策略優(yōu)化與系統(tǒng)性能提升。

這一技術路徑不僅為N-NBI電源的研發(fā)提供了核心支撐，其構建的高保真虛擬測試環(huán)境，也為未來聚變裝置中其他關鍵系統(tǒng)的設計與驗證奠定了可復用的方法論基礎，助力我國“人造太陽”重大科技基礎設施研發(fā)進程。