地铁列车再生制动时产生可观的再生电能,对这部分再生制动能量进行存储再利用,节能减排、保护环境的同时,还起到稳定直流牵引电网电压的作用。随着城市轨道建设的加快及储能技术的快速发展,这方面的研究日益重要。首先通过对系统功能需求分析,确定了变换器的拓扑结构和工作模式。根据动力学理论定量计算出地铁列车再生制动能量大小,在此基础上,设计储能系统的电容组容量和超级电容组的串并联结方式。针对超级电容串并联组成的超级电容阵列,设计了飞渡电容电压均衡策略。针对储能系统结构复杂、非线性、电路能量耦合等特点,引入能量宏观表达法(EMR, Energetic Macroscopic Representation)对储能系统进行了建模,使得模型中物理量之间的相互关系更加清晰、直观。并借助反转规则获得了系统的控制结构,为研究储能系统各组成的工作特点和系统控制策略奠定了基础。重复控制是抑制周期性纹波扰动的有效控制方法。论文以提高储能系统稳态精度为目标,将重复控制技术应用于超级电容储能系统控制中。针对重复控制系统动态响应能力不足,提出了基于重复控制和PI控制的复合控制方法,改善了系统的动态性能。针对超级电容组与制动电阻快速切换过程中支路电流突变引起的系统存储效率降低问题,论文提出了改进型非线性比例因子控制策略,有效协调了两者之间的切换问题,并且提高了系统储能效率。在PSIM仿真环境下进行了仿真,验证所提控制策略的有效性。最后,从软件和硬件两方面实现了超级电容再生制动储能系统。该系统实际运行结果表明本文设计的超级电容储能系统在存储利用能量和稳定直流牵引电网电压方面是有效可行的。