城市轨道交通线路一般采用直流牵引供电系统为列车提供电能。直流牵引供电系统动态运行过程中,普遍存在钢轨电位、杂散电流等回流安全参数异常升高问题,对系统自身及周边埋地金属管线运行安全造成严重危害。目前,我国正处于城市轨道交通快速发展阶段,保证直流牵引供电系统运行安全具有重要研究意义。本文以直流牵引供电系统回流安全为研究对象,对回流安全参数仿真方法、回流安全参数异常升高机理及系统运行优化控制方法进行研究。本文针对直流牵引供电系统特性及回流安全参数特征开展研究。分析系统整流机组稳态调节特性,建立其多折线输出特性曲线。阐述回流系统分布参数与集中参数共存的混合参数特点,分析回流安全参数治理设备动作特性。建立列车牵引计算模型及再生制动能量吸收装置模型,仿真分析系统负荷变化特性。建立单区间供电下回流安全参数分布模型,理论分析单区间供电模型下回流安全参数分布规律,对比实际系统回流安全参数异常分布现象,阐明现有模型及理论无法有效仿真、控制回流安全参数异常升高问题。针对回流安全参数仿真方法,本文提出系统复杂运行工况下回流安全参数快速仿真模型,实现回流安全参数的快速、精确计算。建立回流系统混合参数模型等效及参数修正方法,实现回流系统模型精确等效。提出直流牵引供电系统统一链式电路模型,并基于该模型研究系统复杂运行工况下潮流计算方法。建立回流安全参数计算模型,基于潮流分布实现回流安全参数计算。针对系统交流侧网压对直流侧潮流影响,基于交替迭代法进行系统交直流潮流计算。仿真分析与实例验证结果表明,回流安全参数快速仿真方法可实现系统复杂工况下回流安全参数分析。同时,系统多牵引变电所多列车并列运行时广泛存在功率越区分配现象。本文针对回流安全参数异常升高机理开展研究。建立系统牵引电流越区传输与回流安全参数关联模型,分析两者关联变化规律。提出直流牵引供电系统潮流追踪解析计算方法,实现了系统多牵引所多列车运行时的功率分配计算。提出电流分配系数下回流安全参数分解方法,实现各电流分配分量对回流安全参数的影响分析。根据实际线路参数,仿真分析了系统功率分配对回流安全参数异常升高的影响,阐释实际系统回流安全参数异常升高机理。仿真分析了列车运行功率重合度及再生制动能量吸收启动阈值调节对回流安全参数的控制作用。通过现场实测分析,验证了系统功率越区分配对回流安全参数影响。本文针对再生制动能量优化管理的回流安全参数控制方法开展研究。阐述系统节能运行过程与回流安全参数关系,对比分析再生制动能量分配计算方法。提出系统再生制动能量管理优化目标与优化模型,实现系统回流安全与节能的综合优化控制。提出再生制动能量管理优化模型求解的改进混沌粒子群算法,引入混沌理论及动态惯性权重思想,避免寻优过程过早收敛,并提高寻优速度。实例分析结果表明,本文提出的再生制动能量优化管理方法在实现回流安全的基础上,可有效降低系统运行损耗。本文针对能馈型直流牵引供电系统回流安全及节能运行开展研究。建立了能馈型直流牵引供电系统双向变流机组潮流模型,实现系统交直流潮流计算接口的建模。提出了基于系统双向变流器供电的回流安全及节能运行解决方案,仿真分析了系统回流安全参数分布及能量损耗。分析结果表明双向变流器供电方式可有效实现系统供电自分区,控制系统功率越区分配,降低回流安全参数及系统损耗。设计了直流牵引供电系统2MW三电平双向变流器,通过现场实验验证了其输出特性。