核聚变装置中性束注入高压电源实时仿真与验证

在可控核聚变装置研发中，中性束注入（NBI）高压电源是维持高温等离子体的核心设备，需将常规工业网电转化为高压直流并稳定输出大功率，其精度与可靠性直接决定聚变装置安全运行。针对NBI高压电源研发无成熟方案、传统样机试错模式风险高、成本高的问题，EasyGo半实物仿真平台可实现电源拓扑建模、实时联合调试与控制算法验证，替代传统研发模式，可显著降低研发风险与成本，为该类电源全链条自主创新提供关键支撑。

背景介绍

在核聚变装置的加热系统中，中性束注入系统（NBI）是点燃与维持高温等离子体的核心“点火器”。而其核心设备——基于负离子的中性束注入（N-NBI）高压电源，其精度与可靠性直接决定了价值数十亿的聚变装置能否安全运行。随着中国聚变工程实验堆等国家重大科技基础设施进入工程设计阶段，其N-NBI电源的研发已无成熟商用方案可循。

传统研发模式高度依赖物理样机反复试错，已难以满足重大科技基础设施的研发需求。为确保N-NBI高压电源在极端等离子体物理环境下的可靠性、实时性与容错能力，规避高成本、高风险的实物测试，基于硬件在环（HIL）的半实物仿真平台已成为不可或缺的研发工具。

这种基于HIL的半实物仿真技术路径，可有效替代传统物理样机试错模式，在投入实物建造前，显著降低超高电压、超大功率场景下的研发成本，缩短研发周期，规避重大设备损坏的安全风险。

EasyGo N-NBI高压电源解决方案

针对N-NBI高压电源研发痛点，EasyGo半实物仿真平台提供了全流程研发验证方案。平台支持用户在Matlab Simulink上搭建PSM高压电源拓扑，并通过EasyGo DeskSim软件载入、部署到仿真设备中，从而与真实控制器进行联合调试，高效完成控制算法验证与拓扑结构优化，从根本上替代传统物理样机试错模式。

本文中我们基于EasyGo实时仿真平台PXIBox实时仿真器，分别使用不对称占空比控制和SPWM移相控制两种控制方式，对N-NBI高压电源模型进行了实时仿真联合调试，充分验证了平台的实用性与可靠性。

仿真模型

本次仿真对象为中国聚变工程实验堆（CFETR）中性束注入器（NBI）的核心动力源——N-NBI高压电源。其设计目标是将35kV工业电网电能，转化为1MV（100万伏特）、功率高达数十兆瓦的稳定直流高压，用于加速并注入加热等离子体的中性粒子束。

核心架构采用“模块化串联、高低压分级处理”的创新设计，具体为从35kV电网取电，最终叠加输出1MV直流高压的五级串联式精密电能处理系统。

电能变换流程如下：由专用 24 脉波相控整流变压器降压移相，为晶闸管相控整流器供电，可显著抑制网侧谐波，输出宽范围精准可调的 ±2500V 直流母线电压；该直流电送入各级电源核心功率单元 ——I 型三相三电平 NPC 逆变桥，逆变为高频交流后，经变比 23.6 的隔离升压变压器初步升压，再由高压硅堆整流、串联型 RC 滤波器滤波，最终输出 200kV 平稳直流电。

完全相同的五套上述功率模块，将其输出的200kV高压在物理上直接串联，合成所需的1MV终极高压。其中，串联型高压滤波器的设计旨在故障时限制能量释放，保护下游关键设备。

考虑到实时仿真时，FPGA中可以容纳的拓扑规模是有限的。为串联更多的子模块，需要将拓扑模型进行分割。将低频部分放入CPU中进行仿真，高频部分放入FPGA中进行仿真。

具体分割方式为：分别测量左侧的电压与右侧的电流，再以受控电压源与受控电流源的形式传递所测电压电流，做等效分割处理。

控制算法的仿真验证

这里我们分别使用不对称占空比控制、SPWM移相控制两种控制方式，对该模型进行了实时仿真联合调试。

1. 不对称占空比控制

不对称占空比控制可有效抑制输出纹波、均衡开关器件损耗，其核心原理为：将PI输出的补偿偏差转化为不对称占空比分配，通过时序控制差异化调节开关导通时长，精准补偿调制偏差，进一步降低纹波。

▌离线仿真

在800kV/50A 输出工况和下，离线仿真电压波形如图：

在 400kV/50A 输出工况下，离线仿真电压波形如图：

▌实时仿真

利用EasyGo DeskSim软件与PXIBox仿真设备进行实时仿真，其仿真结果如下。

2. SPWM移相控制

SPWM移相控制能够减小输出谐波、提升波形质量，实现等效载波频率倍增，其核心原理为：将各子模块/桥臂的SPWM调制信号按设定角度进行移相分配，使各单元输出谐波相互抵消，大幅降低谐波含量，平滑输出电压波形。

▌离线仿真

800kV/50A输出工况下的离线仿真波形如下图所示：

400kV/50A输出工况下的离线仿真波形如下图所示：

▌实时仿真

利用EasyGo DeskSim软件与PXIBox仿真设备进行实时仿真，结果如下：

以上仿真验证表明，EasyGo实时仿真平台能够帮助研究人员在虚拟环境中精准优化N-NBI高压电源的拓扑结构、控制算法及系统保护策略，显著缩短研发周期、降低研发成本，规避实物测试中可能出现的重大风险。

在核聚变装置N-NBI高压电源研发领域，实时仿真技术已成为衔接复杂理论设计与极端工况工程实践的核心桥梁。基于EasyGo半实物仿真平台的实时仿真解决方案，通过从离线建模到半实物验证的全流程覆盖，为研究人员提供了高效、安全的开发环境，助力控制策略优化与系统性能提升。

这一技术路径不仅为N-NBI电源的研发提供了核心支撑，其构建的高保真虚拟测试环境，也为未来聚变装置中其他关键系统的设计与验证奠定了可复用的方法论基础，助力我国“人造太阳”重大科技基础设施研发进程。