城市轨道交通作为一种电能驱动、快捷便利的公共出行方式对改善环境、缓解交通拥堵起到了重要作用。随着国内运营里程的迅速增加,用电量也越来越高,节能减排、提升智能化水平成为了城市轨道交通可持续发展的关键。然而,传统牵引供电系统采用不可控二极管整流方式供电,二极管整流机组成为交流中压环网和直流接触网之间能量双向自由流通的重大阻碍,并且对交流侧功率因数、直流侧电压无法调节和控制。本文在城市轨道交通牵引供电系统中引入基于脉宽调制(PWM)的电压源型变流器(VSC)来替代二极管整流器,将传统牵引变电所升级为双向变电所,在此基础上构建了柔性交直流牵引供电系统,并针对直流阻抗重构、分布式无功补偿、交直流系统最优潮流三项关键技术进行了深入研究,以实现系统综合优化和能效提升。提出了一种虚拟阻抗技术对牵引变电所直流输出阻抗进行重构,以提高系统能效和稳定性。针对直流系统再生制动能量分配问题,通过下垂控制构造虚拟电阻,使再生制动能量被多个牵引所协同吸收,提高了再生制动能量在交流电网的利用率。建立了VSC小信号模型,考虑稳态运行点大范围变化和滤波电感储能的影响,对控制器参数优化设计,提高了VSC控制系统稳定性;针对列车恒功率运行时的振荡问题,基于状态空间方程分析了系统特征根分布和稳定性规律,利用直流电流经高通滤波器反馈构造高频阻抗,提高了直流系统的稳定性。通过仿真验证了下垂控制和阻尼控制的有效性。提出了一种基于VSC的牵引供电系统分布式无功补偿方法,利用牵引变电所内VSC进行分布式无功补偿,替代主变电所内的静止同步补偿器(SVG),节约设备成本,简化系统结构。分析了交流系统稳态特性,在此基础上提出了分布式无功补偿的具体实现方法:在线路运营期间负荷具有时变性,通过主变电所内控制中心采集功率信息进行闭环控制生成调节量,利用通信系统发送到牵引变电所实现系统动态补偿;在非运营期间负荷比较稳定,主要是电力电缆产生的大量容性无功,基于潮流模型离线优化生成最优补偿参数,实现系统损耗最小。此外,由于VSC运行范围受到直流电压约束,提出一种过调制抑制策略,通过调节VSC无功功率抑制低直流电压引起的过调制,提升了系统性能。通过仿真验证了分布式无功补偿方法的有效性。提出了一种柔性牵引供电系统最优潮流控制方法,以降低系统综合能耗。建立了包含VSC的交直流系统耦合稳态模型,并根据列车功率特性建立多车动态运行仿真模型。考虑直流电压下垂控制方式,分析了交直流系统的潮流分布,并计算得到牵引变电所空载电压和等效内阻的最优参数,实现了柔性牵引供电系统综合能耗最小,列车电气制动能力最大发挥,通过实际地铁线路仿真算例验证了方法的有效性。