我国城市轨道交通建设已经初具规模,并且还在迅速发展,建设体量日益庞大,相关技术渐趋成熟。针对国内地铁线路实际盈利率低和系统能耗较高的问题,地铁再生制动能量回收利用已经被证明是一种行之有效的应对措施。再生制动能量回收利用的技术方案主要包括电阻式、逆变回馈式和储能式三种,储能装置将列车制动过程的电能储存于储能介质中,并在列车牵引时释放储存的能量,对中压电网影响较小,同时储能装置响应时间较快,可以降低牵引网电压波动,缓解钢轨电位问题。本文建立了包含整流机组、列车和牵引网的城市轨道直流牵引供电系统等效电路模型,在兼顾模型精度与计算效率的前提下,建立了考虑占空比的车载制动电阻功率模型,并通过实测数据验证了模型的有效性。根据《IEEE std 1887-2017》标准中储能装置的黑盒外特性模型,在分析储能装置与整流机组协同工作时能量分配情况的基础上,建立了二者协同工作的牵引所外特性模型,并考虑了工作周期限制和剩余电量限制下的储能装置峰值功率修正。据此,提出了牵引所在不同工作状态下城轨供电系统等效电路图和求解算法,设计了一种基于Bang-Bang控制理论的牵引所多状态切换算法,以优化状态迭代的速度和收敛性。建立了一种适用于求解考虑地面储能装置的直流牵引供电系统双层迭代算法,外层迭代实现状态切换与模型修正,内层迭代实现等效电路单次求解;提出了四个评估指标,从节能和稳压两个角度对储能装置投入后的运行效果进行全面评估;接着,通过实际地铁工程的仿真与实测数据对比验证了算法的有效性,并对不同发车间隔和储能装置不同参数下系统的运行情况进行了分析,为储能装置的安装与参数设置提供一定参考。设计了一种基于再生制动能量分布的地面式储能装置选址定容方法和一种基于NSGA-II的地面式储能装置选址定容优化算法。前者适用于选址定容方案的初步规划和粗略估计,后者适用于各种复杂系统的整体方案优化设计。采用两种方法进行了储能装置选址定容方案设计。并分别针对预算固定和预算充足的情况提出了不同的方案选择模式。采用NSGA-II算法得到的地面式储能装置选址定容方案具有较好的自适应性,同时帕累托解集中各个可行解的分布比较均匀,便于针对不同情况选取合适的最终配置方案。