在核聚變能源研究領(lǐng)域，輔助加熱系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，而脈沖階梯調(diào)制（PSM）高壓電源作為中性束注入等輔助加熱系統(tǒng)的核心供能單元，其研發(fā)與驗證一直是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PSM高壓電源基于模塊化串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)，通過大量低壓功率單元的精密協(xié)同工作，實現(xiàn)低紋波、高動態(tài)響應(yīng)的直流高壓輸出，其性能直接決定了中性束注入系統(tǒng)的加熱效率與等離子體控制精度。然而，在極端等離子體物理環(huán)境下，確保PSM高壓電源的可靠性、實時性以及容錯能力，同時規(guī)避高成本、高風(fēng)險的實物測試，成為研發(fā)過程中亟待解決的難題。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，EasyGo半實物仿真平臺提供了創(chuàng)新的解決方案。該平臺支持用戶在Matlab Simulink上搭建PSM高壓電源拓撲模型，并通過EasyGo DeskSim軟件將模型載入并部署到仿真設(shè)備中，實現(xiàn)與真實控制器的聯(lián)合調(diào)試。這種基于硬件在環(huán)（HIL）的半實物仿真方法，為PSM高壓電源的研發(fā)提供了一個完整的虛擬調(diào)試與驗證環(huán)境，有效降低了研發(fā)工程風(fēng)險。

在PSM高壓電源模型的構(gòu)建中，考慮到實時仿真時FPGA可容納的拓撲規(guī)模有限，研發(fā)團隊采用了模型分割技術(shù)。以不控全橋的直流側(cè)電容為分割點，將拓撲模型分為低頻部分和高頻部分，分別放入CPU和FPGA中進行仿真。具體實現(xiàn)方式為測量左側(cè)電壓和右側(cè)電流，以受控電壓源和受控電流源的形式傳遞所測值，進行等效分割處理?；诖?，平臺封裝了CPU部分與FPGA部分的級聯(lián)模塊，方便用戶在Matlab Simulink建模時調(diào)用。

以150個子模塊串聯(lián)的PSM高壓電源模型為例，研發(fā)團隊進行了詳細的實時仿真聯(lián)合調(diào)試。在控制算法方面，分別采用了PSM控制、PWM配合PSM控制以及移相控制三種方式。PSM控制算法根據(jù)目標(biāo)輸出電壓調(diào)節(jié)子模塊調(diào)用數(shù)量，通過電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)輸出需調(diào)用的子模塊數(shù)量M，形成閉環(huán)控制。然而，該方法存在輸出電壓紋波較大、靈活性不足的問題。在離線仿真中，設(shè)定Vref為50kV，啟動控制后，負載輸出穩(wěn)定在50kV左右；而在實時仿真中，將Vdc_ref設(shè)置為50kV，負載電壓穩(wěn)定在49850~50200V左右。通過實時調(diào)參，將Vdc_ref修改為52kV并切換至開環(huán)控制模式，可手動輸入需要調(diào)用的子模塊個數(shù)，調(diào)整投入使用的子模塊數(shù)為140個。

為改善PSM控制的紋波問題，研發(fā)團隊提出了PWM配合PSM控制算法。該算法僅對第150個子模塊使用PWM控制，其余149個子模塊仍采用PSM控制。在離線仿真中，設(shè)定Vref為50kV，啟動控制后，負載輸出波形顯示紋波明顯減少；實時仿真中，將Vdc_ref設(shè)置為50kV，負載電壓穩(wěn)定在49900~50100V左右，紋波相對于純PSM控制有顯著降低。

研發(fā)團隊還探索了載波移相控制算法。該算法在參考波與載波比較過程中，對不同子模塊的載波依次移相。以150個模塊串聯(lián)的模型為例，同相子模塊的載波依次移相2.4°。在離線仿真中，設(shè)定Vref為50kV，啟動控制后，負載輸出波形穩(wěn)定；實時仿真中，將Vdc_ref設(shè)置為50kV，負載電壓穩(wěn)定在49950~50050V左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的控制性能。

通過以上多種控制算法的仿真驗證，EasyGo實時仿真平臺展現(xiàn)了其在PSM高壓電源研發(fā)中的強大能力。該平臺不僅能夠幫助研究人員在虛擬環(huán)境中精準(zhǔn)優(yōu)化電源的拓撲結(jié)構(gòu)、控制算法及系統(tǒng)保護策略，還能顯著縮短研發(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(fēng)險。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，EasyGo半實物仿真平臺將繼續(xù)推動核聚變電源系統(tǒng)向更高精度、更強魯棒性的方向發(fā)展，為核聚變能源的實現(xiàn)提供堅實的技術(shù)支撐。