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(shè)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(yùn)行。針對(duì)NBI高壓電源研發(fā)無(wú)成熟方案、傳統(tǒng)樣機(jī)試錯(cuò)模式風(fēng)險(xiǎn)高、成本高的問(wèn)題，EasyGo半實(shí)物仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)電源拓?fù)浣！?shí)時(shí)聯(lián)合調(diào)試與控制算法驗(yàn)證，替代傳統(tǒng)研發(fā)模式，可顯著降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與成本，為該類(lèi)電源全鏈條自主創(chuàng)新提供關(guān)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(diǎn)燃與維持高溫等離子體的核心“點(diǎn)火器”。而其核心設(shè)備——基于負(fù)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(jià)值數(shù)十億的聚變裝置能否安全運(yùn)行。隨著中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆等國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入工程設(shè)計(jì)階段，其N(xiāo)-NBI電源的研發(fā)已無(wú)成熟商用方案可循。

傳統(tǒng)研發(fā)模式高度依賴(lài)物理樣機(jī)反復(fù)試錯(cuò)，已難以滿(mǎn)足重大科技基礎(chǔ)設(shè)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(shí)時(shí)性與容錯(cuò)能力，規(guī)避高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)物測(cè)試，基于硬件在環(huán)（HIL）的半實(shí)物仿真平臺(tái)已成為不可或缺的研發(fā)工具。

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

EasyGo N-NBI高壓電源解決方案

針對(duì)N-NBI高壓電源研發(fā)痛點(diǎn)，EasyGo半實(shí)物仿真平臺(tái)提供了全流程研發(fā)驗(yàn)證方案。平臺(tái)支持用戶(hù)在Matlab Simulink上搭建PSM高壓電源拓?fù)?，并通過(guò)EasyGo DeskSim軟件載入、部署到仿真設(shè)備中，從而與真實(shí)控制器進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，高效完成控制算法驗(yàn)證與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，從根本上替代傳統(tǒng)物理樣機(jī)試錯(cuò)模式。

本文中我們基于EasyGo實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)PXIBox實(shí)時(shí)仿真器，分別使用不對(duì)稱(chēng)占空比控制和SPWM移相控制兩種控制方式，對(duì)N-NBI高壓電源模型進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真聯(lián)合調(diào)試，充分驗(yàn)證了平臺(tái)的實(shí)用性與可靠性。

仿真模型

本次仿真對(duì)象為中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）中性束注入器（NBI）的核心動(dòng)力源——N-NBI高壓電源。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是將35kV工業(yè)電網(wǎng)電能，轉(zhuǎn)化為1MV（100萬(wàn)伏特）、功率高達(dá)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(gòu)采用“模塊化串聯(lián)、高低壓分級(jí)處理”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具體為從35kV電網(wǎng)取電，最終疊加輸出1MV直流高壓的五級(jí)串聯(lián)式精密電能處理系統(tǒng)。

電能變換流程如下：由專(zhuān)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(cè)諧波，輸出寬范圍精準(zhǔn)可調(diào)的 ±2500V 直流母線電壓；該直流電送入各級(jí)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(shè)計(jì)旨在故障時(shí)限制能量釋放，保護(hù)下游關(guān)鍵設(shè)備。

考慮到實(shí)時(shí)仿真時(shí)，FPGA中可以容納的拓?fù)湟?guī)模是有限的。為串聯(lián)更多的子模塊，需要將拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行分割。將低頻部分放入CPU中進(jìn)行仿真，高頻部分放入FPGA中進(jìn)行仿真。

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

控制算法的仿真驗(yàn)證

這里我們分別使用不對(duì)稱(chēng)占空比控制、SPWM移相控制兩種控制方式，對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真聯(lián)合調(diào)試。

1. 不對(duì)稱(chēng)占空比控制

不對(duì)稱(chēng)占空比控制可有效抑制輸出紋波、均衡開(kāi)關(guān)器件損耗，其核心原理為：將PI輸出的補(bǔ)償偏差轉(zhuǎn)化為不對(duì)稱(chēng)占空比分配，通過(guò)時(shí)序控制差異化調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)，精準(zhǔn)補(bǔ)償調(diào)制偏差，進(jìn)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(shí)時(shí)仿真

利用EasyGo DeskSim軟件與PXIBox仿真設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，其仿真結(jié)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(shí)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(hào)按設(shè)定角度進(jìn)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(shí)時(shí)仿真

利用EasyGo DeskSim軟件與PXIBox仿真設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，結(jié)果如下：

以上仿真驗(yàn)證表明，EasyGo實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能夠幫助研究人員在虛擬環(huán)境中精準(zhǔn)優(yōu)化N-NBI高壓電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制算法及系統(tǒng)保護(hù)策略，顯著縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，規(guī)避實(shí)物測(cè)試中可能出現(xiàn)的重大風(fēng)險(xiǎn)。

在核聚變裝置N-NBI高壓電源研發(fā)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)仿真技術(shù)已成為銜接復(fù)雜理論設(shè)計(jì)與極端工況工程實(shí)踐的核心橋梁?；贓asyGo半實(shí)物仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真解決方案，通過(guò)從離線建模到半實(shí)物驗(yàn)證的全流程覆蓋，為研究人員提供了高效、安全的開(kāi)發(fā)環(huán)境，助力控制策略?xún)?yōu)化與系統(tǒng)性能提升。

這一技術(shù)路徑不僅為N-NBI電源的研發(fā)提供了核心支撐，其構(gòu)建的高保真虛擬測(cè)試環(huán)境，也為未來(lái)聚變裝置中其他關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證奠定了可復(fù)用的方法論基礎(chǔ)，助力我國(guó)“人造太陽(yáng)”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)進(jìn)程。