功率调度是保障电气化铁路正常运行的重要环节。一方面,电力机车属于大功率非线性负载,会导致牵引网电压及功率因数降低,对周边电力产生较大影响,另一方面,考虑到电力机车运行时段具有明显的峰谷期,牵引网能量供求不均衡等问题,在节约能源,减少运营成本的前提下,推出一种能使电气化铁道供电系统与电力机车匹配运行的能量路由装置具有显著的意义。本文针对电气化铁路牵引供电系统单相、高压大容量,运行峰谷期明显等特点,提出了一种适用于电气化铁路的新型电能路由器装置。装置采用电压幅值-相角的能量调度方式确保电力机车的正常供能及对牵引网的电压支撑,通过81电平变换技术满足电气化铁路供能系统对并网变换器高压大功率、高电压质量的需求,最后基于虚拟直流电机控制的储能单元实现可再生能源消纳及稳定控制。针对能量调度方案,采用了电压幅值-相角的控制策略。依据电气化铁路实际功率需求,推导出电能路由器应当输出的电压幅值及相位,通过分析电压幅值及相位对调度有功功率,无功功率的影响,以及分布式能源的种类及特点,建立了能实现电气化铁路功率调度,削峰填谷的优化控制模型。针对81电平变换器,采用了一种多电平阶梯波调制方式。基于变换器输出基波电压与直流母线电容电压的推导关系,通过切分正弦波计算各组开关管通断时间,控制电容器电压幅值等方式,实现81电平变换器的类正弦阶梯波输出。同时,将多电平调制方法的复杂度,H桥功率分布与现有技术进行对比,分析了该技术在电气化铁路等单相高压大容量领域中的优势所在。针对可再生能源消纳及保障系统稳定性,采用了基于虚拟直流电机控制的双向储能变换器。通过对直流电机原理分析建立储能单元控制方案,利用小信号分析与参数优化在理论上对方案可行性进行了验证,同时在分布式能源不稳定发电条件下,通过观察直流母线电压波动情况,分析了方案对系统阻尼与惯性的影响。最后,利用MATLAB搭建出电能路由器仿真模型,模拟了电力机车进/出站时的工作情况,验证了该方案不仅在功率调度及削峰填谷上具备有效性,还能使由电能路由器及牵引网组成的供电系统稳定性得到提升。