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。

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，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。

HMRPC本质上是一个三相多电平变换器，通过控制桥臂电压可以改变交流端口电压，进而控制交流电流，从而实现补偿功能。系统稳定运行需要保证单元输出电压稳定，抑制交流环流。储能系统的稳定运行还需要电池电流控制与SOC均衡控制策略。因而需要设计通用性强的储能铁路功率调节器控制方法。图4为本发明实施例提供的储能铁路功率调节器的控制方法的实现流程示意图，其中，储能铁路功率调节器中所有储能单元构成储能系统，控制方法详述如下。

步骤101，获取储能铁路功率调节器的运行参数。

其中，储能铁路功率调节器中所有储能单元构成储能系统，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，并控制HMRPC与负载交换能量。HMRPC中所有变换器单元的第一电容总能量标幺值通过计算模块得到，调节以稳定HMRPC中所有变换器单元的电容总能量，使系统能够稳定运行。

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 Resonant Regulator，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)。

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，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，还可以均衡相间、桥臂间电池的SOC，能够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变换器单元间电容电压。采样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、第二电容电压的误差通过比例积分调节器(Proportional Integral Regulator，PI)调节，得到第一子调制信号u_jklc和第二子调制信号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直接电流控制模式，通过计算模块给定第一储能电池电流参考值或第二储能电池电流参考值并引入电池SOC均衡控制，第一储能电池电流参考值或第二储能电池电流参考值与储能电池实际电流i_{jkz_bat}的误差值与SOC均衡信号求和经PI调节器生成第三调制信号中的第三子调制信号u_{jkz_bat}。直接电流控制加入SOC均衡控制以均衡HBIB变换器单元间储能电池SOC。

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的控制方法，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。

下面通过步骤102至步骤105对储能铁路功率调节器的各部分控制功能说明如下：

步骤102，对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、第二等效电流和储能铁路功率调节器中的电容参考电压；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，计算得到初始补偿电流d轴分量；根据电容参考电压，计算得到储能铁路功率调节器中所有变换器单元的第一电容总能量参考值的标幺值；根据第一电容电压和第二电容电压，计算得到储能铁路功率调节器中所有变换器单元的第一电容总能量的标幺值；根据第一电容总能量参考值的标幺值和第一电容总能量的标幺值对初始补偿电流d轴分量进行调节，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i_αb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i_βb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、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相减得到初始补偿电流d轴分量，根据第一电容总能量参考值的标幺值和第一电容总能量的标幺值对初始补偿电流d轴分量进行调节，计算得到补偿电流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。

在此基础上，各相补偿电流参考指令的生成还可以引入电容总能量控制环路，根据第一电容总能量参考值的标幺值和第一电容总能量的标幺值对初始补偿电流d轴分量进行调节，计算得到补偿电流d轴分量，用于平衡系统电容总容量。图7中，为储能铁路功率调节器中所有变换器单元的第一电容总能量参考值的标幺值，为储能铁路功率调节器中所有变换器单元的第一电容总能量的标幺值，二者差值经PI调节器与初始补偿电流d轴分量求和，得到补偿电流d轴分量，以稳定电容总容量。和的计算公式如下：

其中，为储能铁路功率调节器中的电容参考电压。

本实施例中，系统稳定时HMRPC向负载输出功率等于储能系统输出功率，且因为电池采用直接电流控制，所以储能系统输出功率等于计算模块运算下期望储能系统输出的功率，电容总能量外环稳态时基本不发挥作用，不影响储能系统输出功率跟踪给定，因此本实施例可以保留电容总能量外环，进而稳定电容总容量。

步骤103，基于各相补偿电流、第一电容电压和第二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，结合图9和图10，基于各相补偿电流、第一电容电压和第二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二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三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二电容总能量参考值的标幺值；根据第二电容总能量的标幺值和第三电容总能量的标幺值之和与第二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；根据第二电容总能量的标幺值和第三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；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)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二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三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二电容总能量参考值的标幺值，为第二电容总能量的标幺值和第三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。

则相间均衡控制信号为：

第二电容总能量的标幺值和第三电容总能量的标幺值的差值通过PI调节器，可以计算出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。

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，

可选的，结合图10，在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之前，还可以包括：

根据储能电池实际电流，计算得到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、每个下桥臂子模块的第二储能电池总电流、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。

其中，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，可以包括：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前馈调节，计算得到第一调节结果；根据第一调节结果对相均衡控制功率参考值进行修正，根据修正的相均衡控制功率参考值，计算得到各相的相均衡控制信号。

其中，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，可以包括：根据第一储能电池总电流和第二储能电池总电流之差进行比例前馈调节，计算得到第二调节结果；根据第二调节结果对桥臂均衡控制功率参考值进行修正，根据修正的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平均电压；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}，需要降低相模块平均电压。

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平均电压，降低下桥臂子模块平均电压；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平均电压，增加下桥臂子模块平均电压。

由此改写公式(16)和式(18)，引入电池电流比例前馈控制，得到修正的相均衡控制功率参考值和修正的桥臂均衡控制功率参考值如下：

其中，k_p3为相电池电流前馈控制比例系数。

其中，k_p4为桥臂电池电流前馈控制比例系数。

将公式(22)和公式(23)分别代入公式(17)和(19)～(20)得到相均衡控制信号和桥臂均衡控制信号则获得的相均衡控制信号和桥臂均衡控制信号具有电池电流前馈控制效果，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104，基于第一电容电压、第二电容电压和储能电池实际电流进行单元电容电压均衡控制，基于储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行直接电流控制，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，HB变换器单元电容电压均衡通过改变单元调制波实现，同理HBIB变换器单元也可以改变单元调制波以实现电容电压均衡。为进一步加快单元电容电压均衡速度，引入电池电流前馈控制，将HBIB变换器单元中储能电池工作时对单元电容电压的影响通过电池电流前馈的方式加入均衡控制策略，在电池电流改变时即可快速调节HB变换器单元和HBIB变换器单元调制波，加速单元能量转移，提升电容电压均衡速度。HBIB变换器单元的储能电池采用直接电流控制，并引入电池SOC均衡控制。

可选的，基于第一电容电压、第二电容电压和储能电池实际电流进行单元电容电压均衡控制，基于储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态进行直接电流控制，计算得到单元控制的第三调制信号，可以包括：获取储能铁路功率调节器中每个桥臂子模块的桥臂电流；根据储能电池实际电流，计算得到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；根据第一电容电压和第二电容电压，计算得到储能铁路功率调节器中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桥臂电流进行调节，计算得到储能铁路功率调节器中每个半桥变换器单元的第一子调制信号；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和桥臂电流进行调节，计算得到储能铁路功率调节器中每个储能半桥变换器单元的第二子调制信号；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；根据计算得到第一储能电池电流参考值；根据第一储能电池电流参考值、储能电池实际电流、储能电池实际荷电状态和储能电池平均荷电状态进行调节，计算得到储能铁路功率调节器中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。

其中，I_αb为第一等效电流幅值，I_βb为第二等效电流幅值，U_bat为储能电池电压。

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。HBIB变换器单元电容电压均衡控制类似于HB变换器单元，输出第二子调制信号u_jkzc。

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为：

本实施例采用直接电流控制加入SOC均衡控制以均衡HBIB变换器单元间储能电池SOC。控制所有HBIB变换器单元储能电池实际电流相同时，根据计算得到第一储能电池电流参考值第一储能电池电流参考值与储能电池实际电流i_{jkz_bat}的误差值与SOC均衡信号求和经PI调节器生成第三子调制信号u_{jkz_bat}。直接电流控制加入SOC均衡控制以均衡HBIB变换器单元间储能电池SOC。具体地，SOC_av与SOC_jkz作差，经PI调节器作为SOC均衡信号，通过控制储能电池充放电电流以实现SOC均衡。

可选的，在计算得到第一储能电池电流参考值之后，还可以包括：

根据计算得到第二储能电池电流参考值。

其中，为控制储能铁路功率调节器中j相对应的桥臂模块的k桥臂子模块中的第z个储能半桥变换器单元的储能电池电流不同的第二储能电池电流参考值，SOC_jkz为储能铁路功率调节器中j相对应的桥臂模块的k桥臂子模块中的第z个储能半桥变换器单元的储能电池的储能电池实际荷电状态，SOC_av为储能电池平均荷电状态；

根据第一储能电池电流参考值、储能电池实际电流、储能电池实际荷电状态和储能电池平均荷电状态进行调节，计算得到储能铁路功率调节器中每个储能半桥变换器单元的第三子调制信号，包括：

根据第二储能电池电流参考值、储能电池实际电流、储能电池实际荷电状态和储能电池平均荷电状态进行调节，计算得到储能铁路功率调节器中每个储能半桥变换器单元的第三子调制信号。

本实施例中，HMRPC及其储能系统工作时，还可以通过控制HBIB变换器单元储能电池实际电流不同以均衡储能电池SOC。HBIB变换器单元储能电池实际荷电状态SOC_jkz低于能电池平均荷电状态SOC_av时，控制HBIB变换器单元储能电池充电时充电电流大于平均充电电流，放电时放电电流小于平均放电电流。但是，所有HBIB变换器单元充电或放电总电流应保持不变，以保证均衡SOC时储能系统储能或释能总功率不变。

据此，可根据下式计算得到第二储能电池电流参考值

利用第二储能电池电流参考值代替图11中的第一储能电池电流参考值即可通过控制HBIB变换器单元储能电池实际电流不同以均衡储能电池SOC。

步骤105，根据第一调制信号、第二调制信号和第三调制信号，生成半桥变换器单元的第二控制信号和储能半桥变换器单元中储能单元的第一控制信号。

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1～4，仿真时长6s，0.5s时投入HMRPC，2s时储能系统投入工作，仿真步长1e-5。通过计算得到补偿电流参考指令作为给定值，用于验证储能HMPRC及其控制方法的可行性与有效性。仿真工况1～4负荷功率与储能系统功率如表2所示，控制各储能装置功率相同。

四种仿真工况下牵引变压器二次侧电流分别如图13～16所示。每种工况中，从上至下三个波形图(即图13中的(a1)、(a2)、(a3)，图14中的(b1)、(b2)、(b3)，图15中的(c1)、(c2)、(c3)，图16中的(d1)、(d2)、(d3))分别为HMRPC投入前、HMRPC投入但储能系统不工作、HMRPC投入且储能系统工作时的牵引变压器二次侧电流波形。由图可得：MRPC投入工作后，三相电流平衡(工况1完全补偿负荷电流)。同时，投入储能系统后，负荷消耗功率降低(工况2)，或负荷回馈电网能量的功率降低(工况3、4)。

表2三桥臂储能HMRPC仿真参数

仿真工况5模拟不同储能装置功率不同时HMRPC系统的工作状态，仿真时长6s，0.5s时投入HMPRC，2.5s时储能系统投入工作。如图17中的(e1)和(e2)所示，投入MRPC补偿后三相电流幅值相同，相位相差120°，储能系统投入工作后，改变补偿电流参考指令，储能系统输出功率为1.6MW，即总负荷的10％。三相电流幅值从约478.1A降低至约429.9A，证明储能系统补偿有效，且三相电流依然平衡。

储能电池补偿总功率为1.6MW，给定a相对应桥臂模块中的上、下桥臂子模块中每个HBIB变换器单元的储能电池的第二储能电池电流参考值为6.69A，b相对应桥臂模块中的上、下桥臂子模块中每个HBIB变换器单元的储能电池的第二储能电池电流参考值为106.69A，c相对应桥臂模块中的上桥臂子模块中每个HBIB变换器单元的储能电池的第二储能电池电流参考值为92.69A，c相对应桥臂模块中的下桥臂子模块中每个HBIB变换器单元的储能电池的第二储能电池电流参考值为20.69A。验证电池电流前馈控制的有效性，在系统拓扑、其余控制系统相同的情况下分别对有前馈控制和无前馈控制的工况进行仿真。

图18中的(a)和图19中的(b)为b相对应桥臂模块中的上桥臂子模块中多个HB变换器单元和HBIB变换器单元电容电压波形，图18中的(c)和图19中的(d)为c相对应桥臂模块中的上、下桥臂子模块电容平均电压波形，图18中的(e)和图19中的(f)为各相对应的桥臂模块电容平均电压波形。结合图18和图19可知，引入前馈控制后，投入储能系统工作时HBIB和HB变换器单元间、桥臂子模块间、各相对应的桥臂模块间电容电压均衡速度加快，电容电压均衡效果更好。实现储能系统投入前后，在均衡控制策略下HBIB和HB变换器单元间、桥臂子模块间、各相对应的桥臂模块间电容电压均能稳定在其参考值附近。

图20为储能电池实际电流波形图，储能电池实际电流不仅与给定值有关，还受SOC均衡控制策略影响，均衡控制对储能电池实际电流影响限幅为±10A。如图21所示，b相上桥臂子模块各个HBIB变换器单元储能电池实际SOC分别设置为49.85％、49.9％、49.95％、50％、50.05％、50.1％、50.15％，其余储能电池实际SOC均设置为50％。结合图20和图21可以看出，SOC均衡控制策略下，SOC趋于一致，各HBIB变换器单元储能电池实际电流不同的情况下，均衡控制以均衡HMRPC系统所有电池SOC为目标进行。

工况6采用控制电池电流的方法均衡SOC，以b相对应桥臂模块的上桥臂子模块为研究对象，b相对应桥臂模块的上桥臂子模块储能电池电流波形图与储能电池SOC波形图分别如图22和图23所示。可见，电池SOC不同，控制电池输出电流不同以均衡电池SOC。在SOC均衡控制策略下工况6相比工况5电池SOC更快速地均衡。

上述储能铁路功率调节器的控制方法，根据负载情况计算HMRPC向负载输出的功率，并由此计算第一等效电流和第二等效电流，进而根据第一等效电流和第二等效电流优先考储能系统的补偿作用，并进行有功平衡和无功、负序补偿，计算得到用于交流电流控制的各相补偿电流参考指令。同时HMRPC向负载输出的能量需要由储能系统提供，对储能电池采用直接电流控制，使储能系统输出功率等于HMRPC向负载输出的功率，进而根据第一等效电流和第二等效电流计算得到第一储能电池电流参考值或第二储能电池电流参考值。各相补偿电流参考指令与第一储能电池电流参考值或第二储能电池电流参考值同步变化，从而获得储能系统主动补偿HMRPC与负载交换的能量的控制方法。分析该种控制方法下系统的物理量变化与能量传递原理：各相补偿电流参考指令发生变化时，负载向HMRPC输出功率为正(负)，此时HMRPC变换器单元电容电压有升高(降低)趋势，对应HBIB变换器单元直流电压在储能电池充电(放电)的作用下降低(升高)，而HB变换器单元由于没有储能装置其变换器单元电压升高(降低)，但在均衡控制作用下，HBIB和HB变换器单元电压最终趋于一致，实现了负载与储能系统的能量交换。本发明实施例的控制方法，由于各相补偿电流参考指令与第一储能电池电流参考值或第二储能电池电流参考值同步变化，可以实现储能系统输出功率等于HMRPC向负载输出功率，有利于保证HMRPC系统能量稳定。而且可以保证储能电池电流稳定，有利于延长储能电池寿命，直接电流控制下SOC均衡控制更容易实现。同时，采用直接电流控制可以控制不同HBIB变换器单元输出功率不同，提高储能铁路功率调节器控制方法的灵活性与可靠性。

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应用于储能铁路功率调节器的控制方法，图24示出了本发明实施例提供的应用于储能铁路功率调节器的控制装置的示意图。如图24所示，该装置可以包括：获取模块241、第一处理模块242、第二处理模块243、第三处理模块244和控制信号生成模块245。

获取模块241，用于获取所述储能铁路功率调节器的运行参数；所述运行参数包括所述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，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的第一电容电压，以及所述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、储能电池实际电流和储能电池实际荷电状态；

第一处理模块242，用于对所述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243，用于基于所述各相补偿电流、所述第一电容电压和所述第二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244，用于基于所述第一电容电压、所述第二电容电压和所述储能电池实际电流进行单元电容电压均衡控制，基于所述储能电池实际电流和所述储能电池实际荷电状态进行直接电流控制，计算得到单元控制的第三调制信号；

控制信号生成模块245，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，生成所述半桥变换器单元的第二控制信号和所述储能半桥变换器单元中储能单元的第一控制信号。

上述应用于储能铁路功率调节器的控制装置与上文实施例所述的应用于储能铁路功率调节器的控制方法具有相同的有益效果。

图25是本发明一实施例提供的终端设备的示意图。如图25所示，该实施例的终端设备250包括：处理器251、存储器252以及存储在所述存储器252中并可在所述处理器251上运行的计算机程序253，例如应用于储能铁路功率调节器的控制程序。所述处理器251执行所述计算机程序403时实现上述应用于储能铁路功率调节器的控制方法实施例中的步骤，例如图4所示的步骤101至105，所述处理器251执行所述计算机程序403时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图24所示模块241至245的功能。

示例性的，所述计算机程序253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252中，并由所述处理器251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253在所述应用于储能铁路功率调节器的控制装置或者终端设备250中的执行过程。例如，所述计算机程序253可以被分割成获取模块241、第一处理模块242、第二处理模块243、第三处理模块244和控制信号生成模块245，各模块具体功能如图24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。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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。