高速动车组普遍采用再生制动运行方式,在制动过程中,将牵引电机的动能转换为电能。然而,这部分再生能量大多被无偿地返送回电力系统,给铁路部门带来了一定的经济损失。此外,高速动车组具有大功率冲击性、单相性、非线性等特性,带来了电能质量问题,长期威胁着牵引供电系统的安全稳定运行。基于此,本文结合高速铁路牵引供电系统的运行机理,建立了动车组-牵引供电网络耦合仿真分析模型(简称,车网耦合模型),分析了典型工况下车网耦合系统能量的流动路径;在此基础上,综合考虑电能质量优化和再生能量回收利用等需求,设计了基于交-直-交变流技术的再生能量回收方案,并研究了相应的控制方案及能量管理策略,最后搭建了小功率实验平台,主要研究内容如下:(1)建立了高速铁路车网耦合分析模型,研究了不同工况下能量的流动特性。结合高速铁路全并联AT牵引供电系统的拓扑结构,介绍了牵引供电系统主要供电环节(包括:电力系统、牵引变压器、牵引网)的工作原理及建模方法。针对高速动车组,分析了动车组牵引传动系统网侧变流器和电机侧变流器的拓扑结构和控制目标,采用瞬态电流法对网侧变流器进行控制,选取基于转子磁场定向的矢量控制实现牵引电机的变频调速。基于MATLAB/Simulink仿真软件,搭建了车网耦合仿真模型。在此基础上,分析了典型运行工况下牵引供电系统的能量的传输特性和电能质量特性。(2)基于交-直-交变流技术,设计了牵引供电系统再生能量回收方案。在牵引变电所左右两个供电臂之间引入交-直-交变流器,并将储能装置通过双向DC/DC变换器接入变流器中间直流环节。在此基础上,分析了储能装置接入后,牵引供电系统四种典型运行工况下的能量传输特性,并以为储能装置的接入提供稳定的直流电压,实现牵引变电所负序电流和谐波电流补偿为控制目标,设计了变流器的控制策略。仿真结果验证了该控制策略不仅能实现再生能量的回收利用,还能有效的改善牵引供电系统电能质量问题。(3)针对储能装置能量管理,研究了一种基于超级电容荷电状态的动态功率充放电策略。建立了高速铁路牵引供电系统储能装置模型,分析了双向DC/DC变换器拓扑结构以及控制方法,在传统闭环控制策略的基础上,为实现储能介质状态切换时电流的平滑过渡,研究了一种基于荷电状态的动态功率能量管理策略,并通过仿真分析论证了该储能方案和能量管理策略的正确性。在此基础上,以西成高铁广元变电所为研究对象,结合全天24小时实测数据,统计其再生制动功率和能量分布规律,基于此配置超级电容额定容量和充放电功率,设定了超级电容的充电阈值和放电阈值,最后结合实测数据进一步验证了储能系统的节能效果和动态功率能量管理策略的有效性。(4)研发了高速铁路储能系统小功率实验平台。结合储能方案拓扑结构,提出了实验样机总体构架,分析了实验平台的组成元件及其主电路工作方式,设计了实验平台控制系统,并推导了各组成部分实验参数的计算方法,最后对实验平台的运行效果进行了测试。最后,对本文的工作进行了总结,并针对本文研究的不足进行了展望。