具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

电气化铁路载客量大，运送力强，具有安全、可靠、正点率高等优势。然而，牵引供电系统的供电方式与负载特性为铁路供电系统带来了一系列电能质量问题，影响负载机车的安全可靠运行，降低电网的供电质量，甚至威胁到邻近供/用电系统(如风电场/光伏电站)的稳定运行。

电网电流不平衡是目前主要的一种轨道交通电能质量问题。牵引供电网络为对称三相电网，但铁路负荷为单相负载，由此产生三相电流不平衡的问题，在电网侧形成负序电流，对用电设备和负载产生不利影响。RPC能够平衡有功电流、补偿无功电流和谐波电流，解决负序电流问题。

传统RPC采用两电平变换器作为变流器结构，牵引馈线需要通过降压变压器连接至变换器，且受开关器件限制，其系统电压较低，容量有限。在大容量应用场合，常需要多台RPC并联运行，因此系统成本高、控制复杂。基于此问题，人们提出了MRPC。相比传统RPC，MRPC具有电压等级高、补偿容量大、交流滤波装置小、器件开关频率低等特点，还具有模块化程度高、扩展性和冗余性好，不需要降压变压器等优势。两桥臂MRPC、三桥臂MRPC和四桥臂MRPC中，三桥臂MRPC具有直流母线电压低、开关器件少、控制简单、损耗低，不需要隔离变压器的优点。

除此之外，电力机车制动时会产生大量能量。若将制动能量耗散，会产生浪费，制动过程还可能会劣化机车系统的性能(如发热等)；若将制动能量回馈电网或通过储能设备存储，具有重要意义。

因此，在传统RPC直流母线增加储能系统，可以同时解决电流不平衡问题与制动能量回收问题。若在MRPC子模块直流侧增加储能系统，可以实现系统的分散式储能，既能够降低储能模块的电压，提高储能效率，同时还能增加储能系统的模块化程度与冗余。但基于MMC的铁路功率调节器同时也需要解决子模块电容电压与电池荷电状态(State ofCharge,SOC)的均衡控制问题。而且现有技术中储能铁路功率调节器也存在储能成本高、可靠性差、控制方法耦合性强、控制不灵活，且控制方法复杂的问题。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例的储能铁路功率调节器控制方法，应用于储能半桥变换器单元由半桥变换器单元和储能单元并联构成的储能铁路功率调节器。

图1示出了本发明实施例应用的储能铁路功率调节器的结构拓扑图，如图1所示，本发明实施例的储能铁路功率调节器10可以包括并联连接的第一桥臂模块11、第二桥臂模块12和第三桥臂模块13。

其中，第一桥臂模块11的第一端、第二桥臂模块12的第一端和第三桥臂模块13的第一端分别用于连接牵引供电网。

每个桥臂模块包括交流滤波电感L_s以及连接结构相同且相互串联的上桥臂子模块、下桥臂子模块，交流滤波电感L_s的一端连接在上桥臂子模块和下桥臂子模块之间，另一端作为对应桥臂模块的第一端；每个桥臂子模块包括串联连接且数目相同的至少两个变换器单元，各个桥臂子模块中至少一个桥臂子模块的至少两个变换器单元既包含半桥变换器单元HB_Mjk又包含储能半桥(Half Bridge with Integrated Battery，HBIB)变换器单元HBIB_Njk，储能半桥变换器单元HBIB_Njk由储能单元和半桥变换器和直流稳压电容并联连接构成。

可选的，每个桥臂子模块还可以包括一个桥臂滤波电感L_arm，桥臂滤波电感L_arm与每个桥臂子模块包括至少两个变换器单元串联连接。

其中，由于本实施例的储能铁路功率调节器的至少一个桥臂子模块的至少两个变换器单元既包含半桥变换器单元又包含储能半桥变换器单元，因此，可以称为基于混合模块化多电平变换器的储能铁路功率调节器(Hybrid MMC Railway Power Conditioner，HMRPC)。如图1所示，图中，u_A、u_B、u_C三相电网通过V/v牵引变压器向α、β相电力机车负载供电，α、β相负载电流分别为i_αL、i_βL。第一桥臂模块11的第一端、第二桥臂模块12的第一端和第三桥臂模块13的第一端，也就是每个桥臂模块中交流滤波电感L_s的另一端分别用于连接V/v牵引变压器副边线圈的三个端口。由于负荷为单相负载，因此V/v牵引变压器原边电流i_A、i_B、i_C不平衡，需要通过HMRPC的各相补偿电流i_acomp、i_bcomp和i_ccomp，达到有功平衡，负序补偿，平衡电网侧三相电流的目的。

本发明实施例中提出的HMRPC，具备MRPC模块化程度高、输出质量高、系统容量大、器件开关频率低和可以省去隔离变压器与降压变压器的优势。且由于储能铁路功率调节器的中每个桥臂子模块中包括的变换器单元的数目相同，只要存在至少一个桥臂子模块的至少两个变换器单元既包含半桥变换器单元又包含储能半桥变换器单元即可，当存在多个既包含半桥变换器单元又包含储能半桥变换器单元的桥臂子模块时，各个桥臂子模块中HBIB变换器单元的数目可配置不同，进而可以在降低储能成本的同时，提高储能铁路功率调节器拓扑结构的灵活性。而且由于储能半桥变换器单元由储能单元、半桥变换器和直流稳压电容并联连接构成，可以将半桥变换器和储能单元中开关器件的开关状态解耦，实现半桥变换器和储能单元的独立控制，进而实现储能半桥变换器单元中储能单元输出功率的独立控制，有利于降低储能铁路功率调节器控制方法的耦合性，设计控制简单、通用性强的储能铁路功率调节器控制方法，提高储能铁路功率调节器控制方法的灵活性，能够应对部分储能单元故障的工况，提高储能铁路功率调节器的可靠性。

可选的，如图2所示，每个储能半桥变换器单元HBIB_Njk可以包括：储能电池Bat、储能电池滤波电感L_b、开关管S₅、开关管S₆、二极管D₅、二极管D₆构成的储能单元及半桥变换器HB和直流稳压电容C₂。

其中，储能电池Bat的正极与储能电池滤波电感L_b的一端连接，储能电池Bat的负极分别与开关管S₆的源极、二极管D₆的正极、直流稳压电容C₂的一端及半桥变换器HB的第一端连接；半桥变换器HB的第一端作为储能半桥变换器单元HBIB_Njk的输入端或者输出端；储能电池滤波电感L_b的另一端连接在开关管S₅的源极和开关管S₆的漏极之间；开关管S₅的源极还与二极管D₅的正极连接，开关管S₅的漏极分别与二极管D₅的负极、直流稳压电容C₂的另一端及半桥变换器HB的第三端连接；开关管S₆的漏极还与二极管D₆的负极连接；开关管S₅的栅极和开关管S₆的栅极用于输入第一控制信号；半桥变换器HB的第二端作为储能半桥变换器单元HBIB_Njk的输出端或者输入端。

可选的，如图3所示，每个半桥变换器单元HB_Mjk可以包括：开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁和二极管D₂构成的半桥变换器HB和电容C₁。

开关管S₁的漏极和二极管D₁的负极连接后作为半桥变换器HB的第三端，开关管S₂的源极和二极管D₂的正极连接后作为半桥变换器HB的第一端；开关管S₁的源极与开关管S₂的漏极连接后作为半桥变换器HB的第二端；开关管S₁的源极还与二极管D₁的正极连接；开关管S₂的漏极还与二极管D₂的负极连接；电容C₁的一端与半桥变换器HB的第三端连接，电容C₁的另一端与半桥变换器HB的第一端连接；开关管S₁的栅极和开关管S₂的栅极用于输入第二控制信号。

其中，半桥变换器HB的第一端作为半桥变换器单元HB_Mjk的输入端或者输出端；半桥变换器HB的第二端作为半桥变换器单元HB_Mjk的输出端或者输入端。

本实施例中，HB变换器单元的直流侧与电容C₁相连，HBIB变换器单元在HB变换器单元的基础上增加电池储能结构，并通过半桥变换器与直流电容C₂连接，L_b为储能电池滤波电感。通过第二控制信号，改变开关管S₁～S₄的开关状态，可以控制单元输出电压等于电容电压或等于零，桥臂子模块输出电压等于单元输出电压之和。HBIB变换器单元可以通过第一控制信号，改变开关管S₅、S₆的开关状态，从而控制电池储能和释能。实现半桥变换器单元和储能单元中开关器件的开关状态解耦，使储能系统与HMRPC系统进行能量交换，HMRPC系统进而通过交流端与负载进行能量交换。

其中，第一控制信号和第二控制信号可以由应用于本实施例的储能铁路功率调节器的储能铁路功率调节器控制方法获得。其中，储能铁路功率调节器中所有储能单元构成储能系统。如图4所示，控制方法详述如下：

其中，在进行储能铁路功率调节器控制之前，需要获取储能铁路功率调节器的运行参数。运行参数可以包括储能铁路功率调节器对应的电力机车负载的各相负载电流i_αL、i_βL，储能铁路功率调节器的各相补偿电流i_acomp、i_bcomp和i_ccomp，储能铁路功率调节器中每个半桥变换器单元的第一电容电压U_{jkl_sm}，以及储能铁路功率调节器中每个储能半桥变换器单元的第二电容电压U_{jkz_sm}、储能电池实际电流i_{jkz_bat}和储能电池实际荷电状态SOC_jkz。

其中，变量下标j＝a,b,c，表示HMRPC中a相、b相或c相，k＝p,n，表示上桥臂子模块p或下桥臂子模块n，l＝1,2,…M_jk，表示HB变换器单元的编号，M_jk表示HMRPC中j相对应的桥臂模块的k桥臂子模块包括的HB变换器单元的总数量，z＝1,2,…N_jk，表示HBIB变换器单元的编号，N_jk表示HMRPC中j相对应的桥臂模块的k桥臂子模块包括的HBIB变换器单元的总数量。

其中，结合图1定义储能铁路功率调节器系统中的变量如下(其中电压以馈线地线为参考)：

α、β相负载电压u_α、u_β分别为：

其中，U_s为馈线电压幅值，ω为电网角频率。

α、β相负载电流i_αL、i_βL分别为：

其中，I_α、I_β分别为α、β相负载电流幅值，θ_α、θ_β为负载功率因数角。

a、b和c相补偿电流i_acomp、i_bcomp和i_ccomp定义为：

其中，I_a、I_b分别为a、b相补偿电流幅值，θ_a、θ_b分别为以u_α、u_β为参考相位的补偿电流相角。

各相实际环流i_jcir定义为：

i_jcir＝(i_jp+i_jn)/2 (4)；

其中，i_jp和i_jn分别为j相上、下桥臂子模块的桥臂电流。

共模电压u_com定义为：

其中，u_a、u_b和u_c为HMRPC交流端电压。

示例性的，结合图5对储能铁路功率调节器的整体控制功能说明如下：

电流参考指令生成模块采集α、β相负载电流i_αL、i_βL，计算HMRPC交流侧各相补偿电流参考指令以平衡电网侧三相电流。交流电流控制模块将各相补偿电流参考指令与HMRPC各相补偿电流i_jcomp的误差输入比例谐振调节器(Proportional ResonantRegulator，PR)，生成第一调制信号u_jc，控制HMRPC各相补偿电流跟踪其给定值(各相补偿电流参考指令)。本实施例中，由于储能铁路功率调节器的所有变换器单元总能量控制环会改变HMRPC与负载交换的功率，去除所有变换器单元总能量控制环后各相补偿电流参考指令下负载与HMRPC交换的功率才等于期望储能系统输出的功率，因此，本实施例不利用所有变换器单元总能量控制环对各相补偿电流参考指令进行调节。

环流控制模块抑制环流二倍频波动，均衡相间模块电容电压与桥臂子模块间电容电压。各相环流参考值通过计算模块得到，其与各相实际环流i_jcir的误差、相间均衡控制信号桥臂均衡控制信号共同输入比例积分谐振调节器(ProportionalIntegral Resonant Regulator，PIR)，得到第二调制信号u_jcc以实现环流控制和均衡控制的功能。改变计算模块的算法，可以利用储能电池实际电流i_{jkz_bat}作为前馈电池电流对相间均衡控制和桥臂均衡控制进行前馈控制，在此基础上，由于基于电压外环、电流内环的双环控制计算得到单元控制的第三调制信号，因此各储能电池实际荷电状态容易出现差异，因此还可以利用储能电池实际荷电状态SOC_jkz对相间均衡控制和桥臂均衡控制进行SOC均衡控制。以提升相间和桥臂间子模块电容电压均衡效果。

单元均衡控制用以均衡桥臂子模块中各单元间电容电压。由于基于电压外环、电流内环的双环控制进行储能电池控制，因此各储能电池实际荷电状态容易出现差异，通过调节储能半桥变换器单元中半桥变换器单元的调制波实现储能半桥变换器单元SOC均衡控制。由于基于电压外环、电流内环的双环控制进行储能电池控制，储能电池实际电流由第二电容电压外环决定。储能电池实际荷电状态低于桥臂储能电池平均荷电状态时，增加第二电容电压，在第二电容电压外环作用下储能电池充电以增加储能电池实际荷电状态；反之，储能电池实际荷电状态高于桥臂储能电池平均荷电状态时，降低第二电容电压，在第二电容电压外环作用下储能电池放电以降低储能电池实际荷电状态。因此，采样获得半桥变换器单元的第一电容电压U_{jkl_sm}与储能半桥变换器单元的第二电容电压U_{jkz_sm}，计算桥臂子模块的电容平均电压，其与第一电容电压的误差通过比例积分调节器(ProportionalIntegral Regulator，PI)调节，得到第一子调制信号u_jklc。其与第二电容电压的误差通过PI调节，再加入储能半桥变换器单元SOC均衡控制，得到第二子调制信号u_jkzc。最终第三调制信号中的第一子调制信号u_jklc和第二子调制信号u_jkzc还与桥臂电流i_jk的方向有关。储能电池控制工作于电压外环、电流内环的双环控制模式，通过第二电容电压U_{jkz_sm}与电容参考电压的差值进行PI调节，调节结果取相反数后与储能电池实际电流i_{jkz_bat}的差值再进行PI调节，生成第三调制信号中的第三子调制信号u_{jkz_bat}。

调制输出部分，MMC侧半桥变换器单元的调制信号，即图2和图3中开关管S₁～S₄的控制信号，由u_jc、u_jcc、u_jklc和u_jkzc共同生成，在调制作用下生成(第二控制信号)开关信号S_jkl和S_jkz，分别控制开关管S₁、S₂和S₃、S₄。S_{jkz_bat}为电池侧半桥变换器单元的(第一控制信号)开关信号，即S₅、S₆的开关信号，由u_{jkz_bat}生成。

通过上述储能铁路功率调节器控制方法，能够实现平衡电网电流，利用储能系统提高能量利用率的目的。而且控制过程中利用每个储能半桥变换器单元的第二电容电压、储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态以及每个半桥变换器单元的第一电容电压，在任一个储能半桥变换器单元的储能单元出现故障时，可以直接旁路相应的储能单元，从而保证整个储能铁路功率调节器的可靠性。提高储能铁路功率调节器的控制方法的灵活性。而基于第一电容电压、第二电容电压及每个储能半桥变换器单元的储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行双环控制，计算得到单元控制的第三调制信号，可以使储能铁路功率调节器中所有储能单元构成的储能系统自动补偿储能铁路功率调节器用于补偿负载的能量，减少控制过程中参考指令的计算，进而降低控制复杂度。

下面结合图4～图12通过步骤101至步骤104对储能铁路功率调节器控制方法的各部分控制功能说明如下：

步骤101，对获取的储能铁路功率调节器对应的电力机车负载的各相负载电流进行电流补偿处理，计算得到交流电流控制的第一调制信号。

本实施例中，各相负载电流经储能系统补偿、无功电流补偿、有功电流平衡和负序电流补偿得到补偿后负载电流，补偿后负载电流与实际负载电流相减即可得到补偿电流参考指令。将各相补偿电流参考指令与HMRPC各相补偿电流i_jcomp的误差值经PR调节器形成第一调制信号u_jc，控制HMRPC各相补偿电流跟踪其给定值(各相补偿电流参考指令)。

可选的，结合图6和图7，对获取的储能铁路功率调节器对应的电力机车负载的各相负载电流进行电流补偿处理，计算得到交流电流控制的第一调制信号，可以包括：

获取第一等效电流和第二等效电流；根据各相负载电流、第一等效电流和第二等效电流进行电流补偿处理，计算得到补偿电流d轴分量；对各相负载电流进行dq变换，计算得到负载电流q轴分量；将负载电流q轴分量乘以-1，得到补偿电流q轴分量；根据补偿电流d轴分量和补偿电流q轴分量进行dq反变换，计算得到各相补偿电流参考指令；根据各相补偿电流和各相补偿电流参考指令，计算得到交流电流控制的第一调制信号。

其中，第一等效电流为储能系统通过储能铁路功率调节器向α相输出有功功率在储能铁路功率调节器交流侧的等效电流，第二等效电流为储能系统通过储能铁路功率调节器向β相输出有功功率在储能铁路功率调节器交流侧的等效电流。

可选的，获取第一等效电流和第二等效电流，可以包括：

获取储能铁路功率调节器对应的电力机车负载的α相负载有功功率和β相负载有功功率、储能铁路功率调节器的储能系统最大输出功率、储能铁路功率调节器中每个储能半桥变换器单元的储能电池允许最大荷电状态和储能电池允许最小荷电状态。

判断α相负载有功功率、β相负载有功功率和储能电池实际荷电状态是否满足预设条件，预设条件为α相负载有功功率和β相负载有功功率之和大于零且各个储能电池实际荷电状态大于对应的储能电池允许最小荷电状态，或者α相负载有功功率和β相负载有功功率之和小于零且各个储能电池实际荷电状态小于对应的储能电池允许最大荷电状态。

若α相负载有功功率、β相负载有功功率和储能电池实际荷电状态满足预设条件，则计算得到α相负载有功功率和β相负载有功功率之差的绝对值，并判断绝对值是否小于等于储能系统最大输出功率。

若绝对值小于等于储能系统最大输出功率，则根据获取第一等效电流和第二等效电流。

若绝对值大于储能系统最大输出功率，则根据获取第一等效电流和第二等效电流。

若α相负载有功功率、β相负载有功功率和储能电池实际荷电状态不满足预设条件，则确定第一等效电流和第二等效电流均为零。

其中，i_αb为第一等效电流，i_βb为第二等效电流，P_bm为储能系统最大输出功率，U_s为馈线电压幅值，P_αL为α相负载有功功率，P_βL为β相负载有功功率，F₁＝sin(ωt-π/6)，F₂＝sin(ωt-π/2)，ω为电网角频率，f₁、f₂、f₃为系数。

结合图8进行说明，图中，“&&”表示逻辑“与”，“||”表示逻辑“或”，P_bm为储能系统最大输出功率，可以直接获得，P_αL和P_βL为α、β相负载有功功率，可以通过公式(6)计算，i_αLd和i_βLd为α、β相负载有功电流，通过电流有功分离得到，SOC_jkz、SOC_max和SOC_min分别为HBIB变换器单元的储能电池实际SOC、储能电池允许最大SOC和储能电池允许最小SOC。

其中，I_αLd、I_βLd为α、β相负载有功电流幅值。

其中，首先判断储能系统SOC是否满足储能或释能条件。若P_αL+P_βL>0，即α、β相总负载消耗有功功率，此时若各储能电池实际SOC均满足SOC_jkz>SOC_min，储能设备允许释能；若P_αL+P_βL<0，说明α、β相总负载向电网回馈有功，此时若SOC_jkz<SOC_max，储能设备允许储能；否则令i_αb＝i_βb＝0，即储能系统不工作。

进一步判断储能系统能否平衡α、β相有功功率。若|P_αL-P_βL|≤P_bm，说明储能系统补偿后α、β相有功功率相等；若|P_αL-P_βL|>P_bm，说明储能系统补偿后有功功率不能均分，此时储能系统补偿负载有功功率绝对值较大相。由此，可以根据图8计算i_αb和i_βb，图中，F₁＝sin(ωt-π/6)，F₂＝sin(ωt-π/2)，f₁、f₂和f₃为系数，其计算式为：

其中，储能系统工作前后，不仅改变了HMRPC对α、β相输出的有功功率，负序补偿出力也会发生改变。因此本实施例在计算补偿电流时优先考虑储能系统的补偿作用。图7中，α、β相负载电流i_αL和i_βL分别与第一等效电流i_αb和第二等效电流i_βb相加，优先考虑储能系统的补偿作用，得到储能系统补偿作用后的电流，记作i_αl和i_βl，再计算HMRPC补偿无功电流、负序电流以及平衡有功电流。具体地，对i_αl和i_βl根据瞬时无功功率理论进行有功分离，得到无功补偿后的电流i_αlp和i_βlp。因此由公式(8)根据α、β负载电流计算出电网电流，再由公式(9)将电网电流变换至dq坐标系下，通过二阶广义积分器(Second-Order GeneralIntegrator，SOGI)提取d轴电流直流分量乘以比例系数G得到I_d。I_d即为补偿后三相电网平衡时i_αl和i_βl在dq坐标系下的d轴分量，补偿后q轴分量为零。最后，在dq坐标系下将补偿后负载电流分别与各相负载电流做差即可得到初始补偿电流大小。具体地，将i_αL和i_βL变换至dq坐标系，I_d与负载电流d轴分量i_d相减得到补偿电流d轴分量，负载电流q轴分量i_q乘-1得到补偿电流q轴分量，得到的补偿电流d、q轴分量经反变换即可得到最终的各相补偿电流参考指令图7中，比例系数θ为锁相得u_A相位，i_dd为储能系统补偿、无功补偿作用后的电流d轴分量。

其中，k_t为牵引变压器的变比。

其中i_d和i_q分别为负载电流在dq坐标系下的d轴分量和q轴分量。

本实施例中，由于储能系统补偿能量在HMRPC与负载交换能量引起单元电压发生变化时自动进行，分析该种控制方法下系统的物理量变化与能量传递原理：改变补偿电流参考指令，控制负载向HMRPC输出功率为正(负)，此时单元电容电压有升高(降低)趋势，HB变换器单元没有储能电池因此对应电压升高(降低)，而HBIB变换器单元在储能电池电容电压环的控制下电容电压保持稳定，在单元均衡控制作用下HB变换器单元电压开始降低(升高)，最终所有变换器单元电压保持稳定，实现负载与储能系统的能量交换。由于储能铁路功率调节器的所有变换器单元总能量控制环会改变HMRPC与负载交换的功率，因此本实施例获得各相补偿电流参考指令时，不需要所有变换器单元总能量控制环进行调节。

步骤102，基于获取的储能铁路功率调节器的各相补偿电流、每个半桥变换器单元和每个储能半桥变换器单元的电容电压进行环流控制处理，计算得到环流控制的第二调制信号。

参见图9，其中，基于各相补偿电流、第一电容电压和第二电容电压可以计算得到各相环流参考值相均衡控制信号和桥臂均衡控制信号各相环流参考值与各相实际环流i_jcir的误差值与相间电容电压均衡控制和桥臂子模块电容电压均衡控制形成的相均衡控制信号和桥臂均衡控制信号求和作为PIR调节器的输入，形成第二调制信号u_jcc，稳定直流环流，抑制二次环流，均衡相间和桥臂子模块间电容电压。

可选的，参见图9和图10，基于获取的储能铁路功率调节器的各相补偿电流、储能铁路功率调节器中每个半桥变换器单元和每个储能半桥变换器单元的电容电压进行环流控制处理，计算得到环流控制的第二调制信号，可以包括：

对各相补偿电流进行分解，根据分解结果计算得到各相环流参考值；根据第一电容电压和第二电容电压，计算得到每个上桥臂子模块中所有变换器单元的第一电容总能量的标幺值和每个下桥臂子模块中所有变换器单元的第二电容总能量的标幺值；根据获取的电容参考电压，计算得到各个桥臂模块的第一电容总能量参考值的标幺值；根据第一电容总能量的标幺值和第二电容总能量的标幺值之和与第一电容总能量参考值的标幺值的差进行比例积分调节，计算得到各相的初始相均衡控制功率参考值；根据储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态，对初始相均衡控制功率参考值进行前馈调节和荷电状态均衡调节，计算得到各相的相均衡控制信号；根据第一电容总能量的标幺值和第二电容总能量的标幺值之差进行比例积分调节，计算得到各相的初始桥臂均衡控制功率参考值；根据储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态，对初始桥臂均衡控制功率参考值进行前馈调节和荷电状态均衡调节，计算得到各相的桥臂均衡控制信号；通过比例积分谐振调节器对获取的储能铁路功率调节器的各相实际环流、各相环流参考值、各相的相均衡控制信号和各相的桥臂均衡控制信号进行调节，计算得到环流控制的第二调制信号。

其中，储能铁路功率调节器的各相实际环流i_jcir可以根据公式(4)通过获取的桥臂电流计算，或者直接通过测量获得各相实际环流i_jcir。

其中，对各相补偿电流进行分解，根据分解结果计算得到各相环流参考值的过程可以为：

对公式(3)中a、b相补偿电流进行有功电流和无功电流分解，可得：

其中，I_P1为a相补偿电流与α相负载电压同相位分量幅值，I_Q1为a相补偿电流滞后α相负载电压相位90°电流分量幅值；I_P2为b相补偿电流与β相负载电压同相位分量幅值，I_Q2为b相补偿电流滞后β相负载电压相位90°电流分量幅值。

计算j相瞬时功率P_j为：

P_j＝U_dci_jcir+(u_j+u_com)i_jcomp (13)；

其中，U_dc为直流母线电压。

综合公式(1)、(5)、(12)和(13)，根据HMRPC系统稳定工作时，j相瞬时功率不存在直流成分，即式中直流成分为0，解得三相环流参考值

结合图10，相间均衡控制和桥臂均衡控制能够保证相间和桥臂子模块间电容电压稳定，可以分别通过控制直流环流和基波交流环流实现。以下分析中，HB和HBIB变换器单元电容能量标幺值分别定义为和标幺值量用上标^#表示。

其中，MMC每相对应的上桥臂子模块中所有变换器单元的第一电容总能量的标幺值和下桥臂子模块中所有变换器单元的第二电容总能量的标幺值可以计算为：

为使相子模块电容能量平衡，各相的初始相均衡控制相功率参考值可以通过PI调节器计算得到：

其中，为各相对应的桥臂模块的第一电容总能量参考值的标幺值，为第一电容总能量的标幺值和第二电容总能量的标幺值之和，k_p1、k_i1分别为相间均衡控制的比例系数和积分系数。

根据储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态，对初始相均衡控制功率参考值进行前馈调节和荷电状态均衡调节，可以计算得到各相的相均衡控制信号。

第一电容总能量的标幺值和第二电容总能量的标幺值的差值通过PI调节器，可以计算出初始桥臂均衡控制功率参考值为：

其中，k_p2、k_i2分别为桥臂均衡控制的比例系数和积分系数。

根据储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态，对初始桥臂均衡控制功率参考值进行前馈调节和荷电状态均衡调节，计算得到各相的桥臂均衡控制信号。

通过比例积分谐振调节器对获取的储能铁路功率调节器的各相实际环流、各相环流参考值、各相的相均衡控制信号和各相的桥臂均衡控制信号进行调节，计算得到环流控制的第二调制信号。

可选的，根据储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态，对初始相均衡控制功率参考值进行前馈调节和荷电状态均衡调节，计算得到各相的相均衡控制信号，可以包括：

根据储能电池实际电流，计算得到每个桥臂模块的第三储能电池总电流和各个桥臂模块的储能电池平均电流；根据第三储能电池总电流和储能电池平均电流之差进行比例调节，计算得到各相的第一前馈调节量；根据储能电池实际荷电状态，计算得到储能铁路功率调节器中所有储能半桥变换器单元的储能电池平均荷电状态和每个桥臂模块对应的相储能电池平均荷电状态；根据储能电池平均荷电状态和相储能电池平均荷电状态之差进行比例积分调节，计算得到各相的第一荷电状态均衡调节量；计算初始相均衡控制功率参考值、第一前馈调节量和第一荷电状态均衡调节量之和，得到各相的相均衡控制功率参考值；根据相均衡控制功率参考值，计算得到各相的相均衡控制信号。

可选的，桥臂储能电池平均荷电状态包括上桥臂储能电池平均荷电状态和下桥臂储能电池平均荷电状态。根据储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态，对初始桥臂均衡控制功率参考值进行前馈调节和荷电状态均衡调节，计算得到各相的桥臂均衡控制信号，可以包括：

根据储能电池实际电流，计算得到每个上桥臂子模块的第一储能电池总电流和每个下桥臂子模块的第二储能电池总电流；根据第二储能电池总电流和第一储能电池总电流之差进行比例调节，计算得到各相的第二前馈调节量；根据上桥臂储能电池平均荷电状态和下桥臂储能电池平均荷电状态之差进行比例积分调节，计算得到各相的第二荷电状态均衡调节量；计算初始桥臂均衡控制功率参考值、第二前馈调节量和第二荷电状态均衡调节量之和，得到各相的桥臂均衡控制功率参考值；根据桥臂均衡控制功率参考值，计算得到各相的桥臂均衡控制信号。

其中，当不同相对应的桥臂模块或不同桥臂子模块包括的HBIB变换器单元的数目不同，抑或不同HBIB变换器单元的储能电池的功率不同时，储能系统存储或释放的能量不仅在HB和HBIB变换器单元间转移，还在相间和桥臂子模块间转移。

其中，i_{jkz_bat}为储能铁路功率调节器中每个储能半桥变换器单元的储能电池实际电流，当储能电池实际电流为正时，对应储能半桥变换器单元的电容释能，电容电压下降，需要升高对应储能半桥变换器单元的电容电压；当储能电池实际电流为负时，对应储能半桥变换器单元的电容电压上升，需要降低对应储能半桥变换器单元的电容电压。将各相对应的桥臂模块或桥臂子模块的所有储能半桥变换器单元作为整体考虑，计算储能铁路功率调节器中每个上桥臂子模块的第一储能电池总电流i_{jp_bat}、每个下桥臂子模块的第二储能电池总电流i_{jn_bat}、每个桥臂模块的第三储能电池总电流i_{j_bat}和各个桥臂模块的储能电池平均电流i_{phav_bat}分别为：

若第三储能电池总电流i_{j_bat}大于储能电池平均电流i_{phav_bat}，说明相储能系统储能功率大于三相平均值或相储能系统释能功率小于三相平均值，则相模块电容电压平均值较系统所有模块电容电压平均值有降低趋势，需要增加相模块电容电压平均值；若第三储能电池总电流i_{j_bat}小于储能电池平均电流i_{phav_bat}，需要降低相模块电压平均值。

当第一储能电池总电流i_{jp_bat}大于第二储能电池总电流i_{jn_bat}时，需要增加上桥臂子模块的电容平均电压，降低下桥臂子模块的电容平均电压；当第一储能电池总电流i_{jp_bat}小于第二储能电池总电流i_{jn_bat}时，需要降低上桥臂子模块的电容平均电压，增加下桥臂子模块的电容平均电压。

因此，各相的第一前馈调节量ΔP₁为：

ΔP₁＝k_p3(i_{j_bat}-i_{phav_bat}) (19)；

其中，k_p3为相电池电流前馈控制比例系数。

各相的第二前馈调节量ΔP₂为：

ΔP₂＝k_p4(i_{jn_bat}-i_{jp_bat}) (20)；

其中，k_p4为桥臂电池电流前馈控制比例系数。

HBIB变换器单元电容电压由储能电池电压外环控制，因此各储能电池SOC易于出现差异，需要系统的SOC均衡控制策略。若想增大储能电池SOC，需要给储能电池充电，可以增加第二电容电压，则在第二电容电压外环的作用下储能电池充电；若想降低储能电池SOC则需要降低第二电容电压。由此可见，SOC均衡控制可以通过调节第二电容电压实现。

根据储能电池实际荷电状态，计算得到储能铁路功率调节器中所有储能半桥变换器单元的储能电池平均荷电状态SOC_av、每个桥臂模块对应的相储能电池平均荷电状态SOC_j以及每个桥臂子模块的桥臂储能电池平均荷电状态中的上桥臂储能电池平均荷电状态SOC_jp和下桥臂储能电池平均荷电状态SOC_jn为：

相SOC均衡控制可以通过调节直流环流实现，因此第一荷电状态均衡调节量ΔP₁₁为：

ΔP₁₁＝k_p6(SOC_av-SOC_j)+k_i6∫(SOC_av-SOC_j)dt (22)；

其中，k_p6、k_i6分别为相SOC均衡控制比例系数和积分系数。

桥臂SOC均衡控制可以通过调节交流环流实现，因此第二荷电状态均衡调节量ΔP₂₂为：

ΔP₂₂＝k_p7(SOC_jp-SOC_jn)+k_i7∫(SOC_jp-SOC_jn)dt (23)；

其中，k_p7、k_i7分别为桥臂SOC均衡控制比例系数和积分系数。

计算得到第一前馈调节量ΔP₁和第一荷电状态均衡调节量ΔP₁₁之后，根据式(24)计算得到各相的相均衡控制功率参考值

则各相的相均衡控制信号为：

计算得到第二前馈调节量ΔP₂和第二荷电状态均衡调节量ΔP₂₂之后，根据式(26)计算得到各相的桥臂均衡控制功率参考值

交流环流自由度为3，其中基波正序环流、基波负序环流可用于桥臂均衡控制，设桥臂均衡控制信号表达式为：

其中，I_z+、I_z-分别为正序环流幅值和负序环流幅值，θ₊、θ_-分别为正序环流相角和负序环流相角。

令θ₊＝0，可得：

其中，

本实施例中，由于当不同相对应的桥臂模块或不同桥臂子模块包括的HBIB变换器单元的数目不同，抑或不同HBIB变换器单元的储能电池的功率不同时，储能系统存储或释放的能量不仅在HB和HBIB变换器单元间转移，还在相间和桥臂子模块间转移。且由于储能电池电压外环控制的HBIB变换器单元中各储能电池SOC易于出现差异，需要系统的SOC均衡控制策略。因此引入电池电流前馈控制以及相SOC均衡控制和桥臂SOC均衡控制，可以加快储能系统能量在相间桥臂模块和桥臂子模块间均衡，提高储能系统能量在HMRPC相间和桥臂间的交换速度，有利于稳定子模块电容电压。

步骤103，基于电容电压及获取的每个储能半桥变换器单元的储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行双环控制，计算得到单元控制的第三调制信号。

本实施例中，如图11所示，HBIB变换器单元的储能电池采用电压外环、电流内环的双环控制，由于此时容易引起各储能电池实际荷电状态出现差异，因此可以通过调节储能半桥变换器单元中半桥变换器单元的调制波实现储能半桥变换器单元SOC均衡控制。由于基于电压外环、电流内环的双环控制进行储能电池控制，储能电池实际电流由第二电容电压外环决定。储能电池实际荷电状态低于桥臂储能电池平均荷电状态时，增加第二电容电压，在第二电容电压外环作用下储能电池充电以增加储能电池实际荷电状态；反之，储能电池实际荷电状态高于桥臂储能电池平均荷电状态时，降低第二电容电压，在第二电容电压外环作用下储能电池放电以降低储能电池实际荷电状态。

可选的，基于电容电压及获取的每个储能半桥变换器单元的储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行双环控制，计算得到单元控制的第三调制信号，可以包括：

根据储能电池实际电流，计算得到每个桥臂子模块的桥臂平均储能电池电流；根据第一电容电压和第二电容电压，计算得到每个桥臂子模块的电容平均电压；根据第一电容电压、电容平均电压、桥臂平均储能电池电流和获取的每个桥臂子模块的桥臂电流进行调节，计算得到每个半桥变换器单元的第一子调制信号；根据储能电池实际荷电状态，计算得到每个桥臂子模块的桥臂储能电池平均荷电状态；根据第二电容电压、储能电池实际电流、电容平均电压、桥臂平均储能电池电流、储能电池实际荷电状态、桥臂储能电池平均荷电状态和桥臂电流进行调节，计算得到每个储能半桥变换器单元的第二子调制信号；根据获取的储能铁路功率调节器的电容参考电压、第二电容电压和储能电池实际电流进行电压外环、电流内环调节，计算得到每个储能半桥变换器单元的第三子调制信号；将第一子调制信号、第二子调制信号和第三子调制信号作为单元控制的第三调制信号。

可选的，根据第二电容电压、储能电池实际电流、电容平均电压、桥臂平均储能电池电流、储能电池实际荷电状态、桥臂储能电池平均荷电状态和桥臂电流进行调节，计算得到每个储能半桥变换器单元的第二子调制信号，可以包括：

计算电容平均电压与第二电容电压的第一差值，并对第一差值进行比例积分调节，得到每个储能半桥变换器单元的初始调制信号；计算储能电池实际电流与桥臂平均储能电池电流的第二差值，并对第二差值进行比例调节，得到每个储能半桥变换器单元的电池电流前馈控制信号；计算桥臂储能电池平均荷电状态与储能电池实际荷电状态的第三差值，并对第三差值进行比例积分调节，得到每个储能半桥变换器单元的荷电状态均衡调节信号；计算初始调制信号、电池电流前馈控制信号和荷电状态均衡调节信号之和，得到每个储能半桥变换器单元的初始第二子调制信号；根据桥臂电流的正负确定初始第二子调制信号的正负，根据确定正负后的初始第二子调制信号得到每个储能半桥变换器单元的第二子调制信号。

可选的，根据获取的储能铁路功率调节器的电容参考电压、第二电容电压和储能电池实际电流进行电压外环、电流内环调节，计算得到每个储能半桥变换器单元的第三子调制信号，可以包括：

计算获取的储能铁路功率调节器的电容参考电压与第二电容电压的第四差值，并对第四差值进行比例积分调节，得到每个储能半桥变换器单元的储能电池放电电流参考值；对储能电池放电电流参考值取相反数，得到每个储能半桥变换器单元的储能电池充电电流参考值；计算储能电池充电电流参考值与储能电池实际电流的第五差值，并对第五差值进行比例积分调节，得到每个储能半桥变换器单元的第三子调制信号。

本实施例中，定义储能铁路功率调节器中每个桥臂子模块的桥臂平均储能电池电流i_{jk_batav}：

储能电池实际电流i_{jkz_bat}为正时，单元电容电压有下降趋势，需要增加单元电容电压；储能电池实际电流i_{jkz_bat}为负时，即储能电池放电时需要降低单元电容电压。当储能电池实际电流(HB变换器单元储能电池实际电流记为0)大于桥臂平均储能电池电流i_{jk_batav}时，需要增加该单元电容电压，小于桥臂平均储能电池电流i_{jk_batav}时降低单元电容电压，由此可得电池电流前馈控制方法。将储能电池实际电流i_{jkz_bat}(HB变换器单元为0)与桥臂平均储能电池电流i_{jk_batav}的差值经过比例调节器作为电池前馈控制信号，调节单元调制信号以达到前馈控制的目的。

储能铁路功率调节器中桥臂子模块的电容平均电压U_{jk_armav}为：

电容平均电压U_{jk_armav}与第一电容电压U_{jkl_sm}的误差值经过PI调节器与电池前馈控制信号求和作为储能铁路功率调节器中每个HB变换器单元的第一初始子调制信号。桥臂电流i_jk的方向影响最终第一子调制信号u_jklc的正负，i_jk为正时，第一初始子调制信号乘1，增加单元电容电压较低的变换器单元的占空比以增大充电时间；i_jk为负时，第一初始子调制信号乘-1，减小其放电时间。

结合公式(21)，根据储能电池实际荷电状态SOC_jkz，可以计算得到每个桥臂子模块的桥臂储能电池平均荷电状态SOC_jk，即上桥臂储能电池平均荷电状态SOC_jp或下桥臂储能电池平均荷电状态SOC_jn。在此基础上，电容平均电压U_{jk_armav}与第二电容电压U_{jkz_sm}的第一差值经过PI调节器作为储能铁路功率调节器中每个HBIB变换器单元的初始调制信号，与储能电池实际电流i_{jkz_bat}与桥臂平均储能电池电流i_{jk_batav}的第二差值经过P调节器后的电池电流前馈控制信号以及桥臂储能电池平均荷电状态SOC_jk与储能电池实际荷电状态SOC_jkz的第三差值经过PI调节器后的荷电状态均衡调节信号求和，作为储能铁路功率调节器中每个HBIB变换器单元的初始第二子调制信号u_jkzc，与确定第一子调制信号u_jklc的正负类似，根据桥臂电流i_jk的方向确定最终第二子调制信号u_jkzc的正负。

直接获取电容参考电压第二电容电压U_{jkz_sm}与电容参考电压的差值进行PI调节，调节结果取相反数后与储能电池实际电流i_{jkz_bat}的差值再进行PI调节，生成第三调制信号中的第三子调制信号u_{jkz_bat}。

本实施例中，由于HBIB变换器单元的储能电池采用电压外环、电流内环的双环控制，容易引起各储能电池实际荷电状态出现差异，因此可以通过调节储能半桥变换器单元中半桥变换器单元的调制波实现储能半桥变换器单元SOC均衡控制。而采用电压外环、电流内环的双环控制进行储能电池控制，可以在HMRPC与负载交换能量时自动补偿HMRPC与负载交换的能量，控制储能系统稳定HMRPC能量，维持单元电容电压稳定，保证系统正常运行。而且该控制策略参考指令少、计算简单、已知储能系统功率时，不需要计算并向储能单元下达电流控制指令。需要注意的是，由于储能电池采用电压外环、电流内环的双环控制，MMC正常运行时单元电压处于波动状态，因此需要设置单元电容电压死区，以避免储能电池频繁充放电。

步骤104，根据第一调制信号、第二调制信号和第三调制信号，控制储能铁路功率调节器中的半桥变换器单元和储能半桥变换器单元。

示例性的，如图12所示，交流电流控制生成的第一调制信号u_jc，上下桥臂子模块调制信号反向，分别与环流控制的第二调制信号u_jcc做差，再与第一子调制信号u_jklc、第二子调制信号u_jkzc求和，经载波移相调制生成MMC侧半桥开关信号(第二控制信号)S_jkl、S_jkz。第三子调制信号u_{jkz_bat}经脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)生成储能电池侧开关信号(第一控制信号)S_{jkz_bat}。

以下通过具体实施例，对上述储能铁路功率调节器的控制方法进行进一步说明。

利用PSCAD和MATLAB Simulink进行仿真，仿真电路拓扑如图1，仿真以V/v变压器二次侧作为电压源，馈线电压为27.5kV。仿真电路参数如表1所示。

表1三桥臂储能HMRPC仿真参数

设计仿真工况1，仿真步长1e-5s，仿真时间3.5s，0s开始启动HMPRC，同样α相向β相转移功率为8WM，0.3s投入储能系统工作。0.3s时，控制中去除所有变换器单元电容总能量控制外环，并调整交流侧补偿电流参考指令，使负载输入HMPRC的功率为1.6MW，通过储能系统储存能量。

各相补偿电流波形如图13所示，虚线为各相补偿电流参考指令，实线为各相补偿电流，实线和虚线基本重合，说明储能系统投入前后，补偿电流均能跟随给定。图14为单元电压波形图，负载向HMRPC输入功率时，单元电压有上升趋势，但在HBIB变换器单元在电容电压外环控制下电容电压稳定在3700V左右，HB变换器单元在均衡控制策略下单元电容电压也稳定在参考值附近。

图15为储能电池充电电流波形图，单元电容电压上升到设置电压死区上限时，储能电池在单元电容电压外环控制下充电维持电容电压稳定。均衡控制策略下HBIB变换器单元储能电池实际SOC如图16所示。

上述储能铁路功率调节器控制方法，应用于储能半桥变换器单元由半桥变换器单元和储能单元并联构成的储能铁路功率调节器。由于储能铁路功率调节器中储能半桥变换器单元由半桥变换器单元和储能单元并联构成，进而可以将半桥变换器单元和储能单元中开关器件的开关状态解耦，便于实现半桥变换器单元和储能单元的独立控制，进而降低储能铁路功率调节器控制方法的耦合性。且不对储能半桥变换器单元的数量进行限定，只要保证每个桥臂子模块包括的变换器单元的数目相同，桥臂子模块包括的储能半桥变换器单元的数目可以任意设置。可以在降低储能成本的同时，提高储能铁路功率调节器拓扑结构和控制方法的灵活性，便于设计控制简单、通用性强的储能铁路功率调节器控制方法，提高储能铁路功率调节器的可靠性。且本发明的储能铁路功率调节器控制方法，通过对获取的储能铁路功率调节器对应的电力机车负载的各相负载电流进行电流补偿处理，计算得到交流电流控制的第一调制信号；基于获取的储能铁路功率调节器的各相补偿电流、每个半桥变换器单元和每个储能半桥变换器单元的电容电压进行环流控制处理，计算得到环流控制的第二调制信号；基于电容电压及获取的每个储能半桥变换器单元的储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行双环控制，计算得到单元控制的第三调制信号；根据第一调制信号、第二调制信号和第三调制信号，控制储能铁路功率调节器中的半桥变换器单元和储能半桥变换器单元。可以使储能铁路功率调节器中所有储能单元构成的储能系统自动补偿储能铁路功率调节器用于补偿负载的能量，减少控制过程中参考指令的计算，进而降低控制复杂度。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以下为本发明的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。

对应于上文实施例所述的储能铁路功率调节器控制方法，图17示出了本发明实施例提供的储能铁路功率调节器控制装置的示例图。如图17所示，该装置可以包括：第一处理模块171、第二处理模块172、第三处理模块173和控制模块174。

第一处理模块171，用于对获取的储能铁路功率调节器对应的电力机车负载的各相负载电流进行电流补偿处理，计算得到交流电流控制的第一调制信号；

第二处理模块172，用于基于获取的所述储能铁路功率调节器的各相补偿电流、所述储能铁路功率调节器中每个半桥变换器单元和每个储能半桥变换器单元的电容电压进行环流控制处理，计算得到环流控制的第二调制信号；

第三处理模块173，用于基于所述电容电压及获取的每个储能半桥变换器单元的储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行双环控制，计算得到单元控制的第三调制信号；

控制模块174，用于根据所述第一调制信号、所述第二调制信号和所述第三调制信号，控制所述储能铁路功率调节器中的半桥变换器单元和储能半桥变换器单元。

上述储能铁路功率调节器控制装置与上文实施例所述的储能铁路功率调节器控制方法具有相同的有益效果。

图18是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图18所示，该实施例的终端设备180包括：处理器181、存储器182以及存储在所述存储器182中并可在所述处理器181上运行的计算机程序183，例如储能铁路功率调节器控制程序。所述处理器181执行所述计算机程序403时实现上述储能铁路功率调节器控制方法实施例中的步骤，例如图4所示的步骤101至104，所述处理器181执行所述计算机程序183时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图17所示模块171至174的功能。

示例性的，所述计算机程序183可以被分割成一个或多个程序模块，所述一个或者多个程序模块被存储在所述存储器182中，并由所述处理器181执行，以完成本发明。所述一个或多个程序模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序183在所述储能铁路功率调节器控制装置或者终端设备180中的执行过程。例如，所述计算机程序183可以被分割成第一处理模块171、第二处理模块172、第三处理模块173和控制单元174，各模块具体功能如图17所示，在此不再一一赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。