高性能实时仿真技术及其在重大科技基础设施中的应用实践

可控核聚变、粒子加速器、智能电网、先进舰艇推进等重大科技基础设施的突破，离不开高性能高可靠性电源系统的核心保障。但这类特种电源进行实物验证成本高昂、风险巨大且不可复用。

近年来，高性能实时仿真技术为重大科技基础设施相关复杂系统的设计验证提供了全新技术范式。该技术能够在系统投入实际运行前，开展充分、安全、经济的测试与优化，内置多种模型组件可在不同场景重复利用，成为重大科技基础设施核心系统研发落地的关键支撑。

一、实时仿真如何应对特种电源的独特挑战

特种电源系统因应用场景特殊，对测试提出高精度、高可靠性和高效率的严格要求。其测试不仅要准确模拟复杂工况，还需全面评估系统在各种条件下的稳定性与安全性，确保运行无故障、无风险。

特别是在大型科技基础设施及科研平台等高风险环境中，测试需求尤为严苛。业界普遍认为，测试必须覆盖极端动态工况，验证控制器在微秒级瞬态过程中的响应能力，并能安全预演故障状态下的系统行为。若直接在实际装置上进行此类测试，不仅成本高昂，且潜在风险难以承受。

EasyGo 实时仿真技术及优势

实时仿真技术是应对上述挑战的有效途径，其原理是利用强大的计算硬件（如多核实时处理器与FPGA计算单元），在严格的时间约束下（仿真步长可达微秒甚至纳秒级），实时解算描述电力电子系统动态行为的数学模型。

EasyGo 仿真平台核心优势：

▌安全无风险：所有测试均在虚拟空间完成，避免对实体设备造成损害。

▌经济高效：大幅减少物理样机迭代次数，缩短研发周期。

▌测试覆盖全面：可轻松模拟现实中难以复现或极具破坏性的极限工况及故障工况。

▌技术自主可控：基于国产化核心技术，确保仿真平台从硬件到软件的安全可靠与持续迭代能力，摆脱外部技术限制，为重大基础设施的长期发展筑牢自主根基。

▌售后保障：依托本土化团队提供快速响应和全生命周期的售后支持，保障项目高效稳定运行，显著降低维护成本与技术支持门槛。

这些应用不仅是技术发展的必然趋势，更是实现风险可控、加速技术验证、培养专业人才不可或缺的环节。在特种电源研发中，实时仿真的核心应用场景主要集中在：

控制策略的硬件在环测试：业界通常采用 HIL 测试验证控制器的可靠性与动态性能。将真实控制器（如PLC、DSP）与运行于实时仿真器中的虚拟被控对象相连，形成闭环测试系统，从而在投运前全面检验控制算法与硬件的正确性与鲁棒性。

系统故障预演与安全边界探索：通过仿真模拟短路、开路、负载剧烈变化，电压或频率扰动等故障工况，评估系统保护逻辑与整体鲁棒性，在设计阶段即明确安全边界，优化系统架构。

二、实时仿真在重大工程中的应用案例

实时仿真技术已在我国多个重大科技工程中落地应用，展现出显著的技术价值。在行业实践中，EasyGo半实物仿真平台以其卓越的性能与可靠性，为多家顶尖科研机构与企业提供了关键技术支撑。

案例一：智能电网与大功率电能变换

随着新型电力系统建设推进与新能源占比持续提升，电网对大功率电能变换设备及柔性输电技术提出了更高要求。国内多家科研机构与电力设备企业引入EasyGo实时仿真平台，构建高精度实时仿真测试环境，对SVG、MMC、柔性变压器、新能源发电设备，大容量储能变流器等关键装备开展深入的性能研究。

该平台还可作为半实物仿真测试基础平台，为光伏逆变器，风电变流器，储能变流器（PCS）等设备提供标准的入网自适应测试功能，显著提升了测试效率与覆盖深度，有力支撑了大规模新能源友好接入与电网安全稳定运行。

案例二：聚变装置PSM电源

在国家聚变能源研究中，实时仿真平台被用于对其核心脉冲电源模块（PSM）进行深入研究与测试。基于EasyGo平台提供的微秒级实时仿真能力与高精度FPGA模型，研究人员能够在半实物仿真环境中精准复现PSM模块复杂的多电平开关序列与纳秒级动态特性。全国产PSM高压电源控制系统仿真验证

团队在系统联调前即可验证先进控制策略对等离子体位移控制的精确性与鲁棒性，极大加速了电源系统的优化进程，为“人造太阳”等大科学装置的稳定运行提供了坚实保障。

案例三：舰艇推进电源系统&储能电磁弹射系统

在船舶综合电力系统领域，面临综合电力系统稳定性分析与高能脉冲负载接入冲击的严峻挑战。借助 EasyGo半实物仿真平台的多核CPU与FPGA协同计算能力，研究团队构建了覆盖发电、输配、推进及电磁弹射系统的全船电网高保真数字孪生。

该平台成功应用于新一代舰艇推进系统控制器的硬件在环测试，并针对储能与电磁弹射等瞬时功率极大的系统，开展了数以万计的安全边界探索与故障预演测试，为我国舰船电力系统设计一次成功率与装备可靠性的提升作出了贡献。

三、技术实现路径展望

尽管实时仿真技术已展现出巨大价值，但要构建真正高保真的特种电源数字孪生，仍需攻克一系列技术难点。基于EasyGo半实物仿真平台的技术积累与实践，我们认为未来技术的发展路径可能集中在以下几个方面。

构建特种电源数字孪生的关键考量：实现高保真实时仿真，需要精细的器件建模、考虑寄生参数的影响，并确保模型在不同工况下的准确性。同时，仿真平台必须具备极高的计算能力和确定的实时性，以捕捉开关器件的快速动态过程。

模型精度与实时性的平衡：对于开关频率高达数百kHz的电源，在FPGA上实现纳秒级精度的功率器件模型是关键。这就需要采用先进建模方法与优化算法，在保证模型精度的前提下提高计算效率，实现模型精度与实时性的平衡。

多时间尺度仿真：电源的快动态与磁体热场的慢动态之间的协同仿真是未来重要挑战。要实现对整个系统的全面准确模拟，需建立多时间尺度的仿真模型，设计有效算法协调不同时间尺度之间的计算与数据交互，并在计算资源管理和模型耦合方面进行创新。

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实时仿真技术为特种电源等高端系统的研发提供了强有力的工具，能够显著降本增效、保障安全，已成为前沿科技工程领域的必备手段。EasyGo半实物仿真平台作为国内领先的实时仿真解决方案，凭借卓越的仿真精度、稳定的实时性能及多速率协同仿真架构，已在多个国家级重大科技基础设施和科研项目中获得成功验证。

我们期待与业内顶尖研究机构携手，共同探索实时仿真技术在前沿能源科技中的更深层次应用，为解决工程现实挑战贡献力量。