随着城轨交通的大规模普及和高速发展,其行车过程中庞大的能耗逐渐成为不可忽视的问题。而地铁车辆区间运行时间短,启停频繁,能产生大量可回收的制动能量,因此提高再生制动能量的利用率、减少电能的消耗是现代地铁运营系统亟待解决的问题。飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage System,FESS)作为一种无污染、高功率密度的储能方式,在提升城轨再生制动能量利用率,抑制牵引网压波动等方面具有广阔的应用前景。本文所述的飞轮储能电机(Flywheel Energy Storage Motor,FESM)采用高速永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM),并以其为控制研究对象。在分析FESM的工作机理,推导其充、放电数学模型的基础上,针对FESM中存在的非线性、强耦合等问题,在国家自然科学基金项目(51707082,51877071)的资助下,开展相关研究。主要工作及研究成果如下:首先,介绍了车载FESS的基本结构与工作原理,给出了FESM的数学模型,分析了影响FESM容量和功率的主要指标,为其充、放电控制系统的设计奠定了基础。其次,以南京地铁1号线的法国产阿尔斯通A型车为工程应用背景,建立了机车动力学模型,分析了机车所受阻力和输出牵引/制动力之间的关系,定量计算了单车单次启停过程中的能量和功率的大小,并结合牵引供电系统的仿真结果,说明了设置能量回收系统对实现抑制牵引网压波动的必要性,最终确定了用于回收城轨交通再生制动能量的FESS设置方案和相应的匹配容量等基本性能参数。再次,介绍了牵引电机在FESM中表现出的负载特性,并将其简化为等效直流模型,得出了FESM的变流器的功率平衡模型,据此直观地分析了充、放电工况下的FESM的电流、转矩特征。根据FESM充电工况下的性能要求,确定了以转速为首要控制指标的电机控制策略,概述了传统转速控制方法中的局限性,针对城轨运行工况特定背景下的转速要求,提出了基于超螺旋算法的二阶滑模转速控制,并详细阐述了其构建原理与稳定性。最后,根据FESM放电工况下的性能要求,介绍了以母线电容电压为首要控制指标的电机控制原理,通过对传统PI控制下的电压闭环函数的缺陷分析,说明了提出改进双闭环滑模电压控制的必要性,通过仿真软件验证了所提方法的优越性。将牵引电机与FESM协同运行分析,通过网压波动的改善了最终验证了设置FESS对再生制动能量的有效性。