城轨列车运行站间距离短,起动制动频繁,列车再生制动会产生大量的再生制动能量。逆变回馈型再生制动能量利用方案能够将城轨列车再生制动能量直接回馈给交流电网进行再利用,能量利用率较高。但传统逆变回馈型方案控制方式单一,容易受到功率波动及电网异常情况的影响。对此,本文在传统逆变回馈型方案的基础上,研究一种带储能单元的基于虚拟同步机控制的城轨列车再生制动能量回馈系统。该系统在列车牵引工况工作在整流模式为牵引网提供能量,在列车再生制动工况工作在逆变模式将再生制动能量回馈至电网。同时,系统能够参与电网调节,极大提高电网运行的稳定性。本文首先对该回馈系统结构进行了详细的介绍,对其主功率电路、储能模块、虚拟同步机控制与调制模块的组成、选型、及作用进行了分析,并对储能模块充放电模式所采用的双闭环控制策略进行了详细的设计。其次根据同步机原理详细分析了Synchronverter虚拟同步机的运行机理,并根据同步机的转子运动方程、电磁暂态方程及磁链方程构建出了虚拟同步机的数学模型。根据实际控制目标,分别设计了系统在整流及逆变模式下的控制方案,并对系统自同步模式、整流牵引模式、逆变回馈模式、电网调节模式下的控制策略及各模式的切换方式进行了详细的阐述。而后以某运行区间为例对城轨列车运行时列车的速度、加速度、距离、牵引变电站的电流变化情况、直流母线电压变化情况、功率变化情况进行了牵引计算编程,测算出单列车两站间的牵引能量及再生制动能量,确定再生制动能量回馈需求,并定量测算出列车牵引及再生制动工况下直流母线电压的变化量。根据牵引计算结果,对系统总容量进行了设计,并对系统各模块参数的设计过程进行了详细的阐述。最后通过仿真验证了系统在电网正常及异常情况下的暂态及动态特性,证明了系统的可行性及有效性,实现了控制目标。除此之外,为了进一步验证理论分析和仿真结果的正确性,搭建了基于DSP的数字控制实验平台。通过小功率样机实验,验证了理论分析与仿真结果的正确性。研究结果表明:系统能够在列车牵引及再生制动工况实现能量的双向流动,既可以为直流牵引网提供牵引能量,又可以将再生制动能量回馈至交流电网。同时,系统能够自主柔滑并网,实时跟踪电网频率,保持与电网的同步,且具有良好的电网调节能力和电网异常穿越能力。