铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程,是综合交通运输体系的骨干和主要运输方式之一,在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。铁路运输具有运量大、能耗小、排放低等比较优势,是公认的最环保的运输方式之一,但同时也是能源消耗大户。随着全世界范围内人口的增加和电气化铁路的快速发展,铁路行业的能源消耗将进一步持续增加。所以,在当今全球资源需求量日益增加、环境问题日益突出的时代下,实现电气化铁路系统的节能减排和绿色发展至关重要。铁路中的电力机车在制动过程中会产生大量的再生制动能量。我国拥有众多铁路线路且铁路沿线地势复杂,使得我国铁路中蕴含了大量的再生制动能量。如果能将铁路中电力机车产生的再生制动能量在铁路牵引供电网内部得到充分高效地利用,不仅能降低铁路运输能源消耗、保障牵引供电系统经济高效运行,还能降低我国乃至全球铁路运输行业碳排放量,从而为环境友好型社会做出巨大的贡献。为了提高铁路机车再生制动能量的利用率、缓解大电网的压力、降低运输公司的运行成本,本文提出了一种用于铁路机车再生制动能量回收利用的智能系统。该系统可以实时采集牵引电网数据,利用智能优化算法进行分析计算,形成全线路再生制动能量的最优调控决策,协同控制多个双向电力电子变换器的运行,实现再生制动能量在牵引供电系统内的充分利用、降低机车用电成本。此外该系统还可实现兼顾改善牵引供电系统电能质量、削峰填谷、清洁能源利用、接触网主动电压控制和用做铁路应急电源的功能,可以进一步提高铁路牵引供电系统的智能化水平,促进智能铁路电网的建设。首先对课题背景、研究意义和国内外研究现状进行了总结和概括。分析了当前铁路能源消耗水平和铁路机车产生再生制动能量的能力,结果表明铁路机车再生制动能量的回收利用对于电气化铁路的节能降耗具有重要的意义。总结了现有铁路电力机车再生制动能量利用方案类型,并介绍了每种再生制动能量利用方案的优缺点和应用的局限性,在此基础上,针对现有再生制动能量利用方案的瓶颈和铁路牵引供电系统的特点,提出了一种用于铁路机车再生制动能量回收利用的智能系统,该系统具有再生制动能量利用率高、可靠性高、智能化水平高等优势。然后介绍了所提能量利用系统的基本工作原理和工作模态,并建立了能量利用系统的数学模型。对系统的结构组成、工作模态进行了介绍,分析了能量利用系统对于再生制动能量的利用能力。对加入能量利用系统后的牵引供电系统,包括牵引变电所、牵引网及功率传输设备,进行了建模,利用该模型可以分析出再生制动能量传输过程中牵引网电压、谐波电压和各导线上分布的谐波电流情况,从而可以预知再生制动能量在传输过程中对牵引供电系统造成的影响。进而给出了用于再生制动能量调控的功率传输装置（Power Transferring Device,PTD）、储能型功率传输装置（Energy-Storage-Based Power Transferring Device,EPTD）和中央控制器的控制策略。首先给出了低压PTD和EPTD装置的拓扑结构,并设计了低压PTD和EPTD装置调控再生制动能量的控制策略。然后选取了高压PTD和EPTD拓扑,并针对该拓扑中整流侧的级联H桥结构,提出了一种基于电容能量反馈的电容电压平衡控制策略,用于平衡每个桥臂中直流侧电容电压。为了确保高压PTD和EPTD运行的稳定性,还对PTD和EPTD中每个桥臂间功率传输范围约束进行了理论分析。最后,给出了高压PTD和EPTD调控再生制动能量的的整体控制策略。针对整体牵引供电系统再生制动能量利用的问题,提出了一种集中控制策略,该策略可以控制所有PTD和EPTD的协同运行,实现全线路再生制动能量的高效利用。接下来为了提高能量利用系统的经济性和高效性,最大限度地发挥所提能量利用系统的潜能,进一步提出了优化控制策略并开发了能量利用系统的其它功能。给出了能量利用系统兼顾改善电能质量的控制策略,并分析了不同工况下兼顾改善电能质量的控制方法及补偿电流检测方法。对兼顾改善电能质量时的EPTD容量进行了分析,并讨论了再生制动能量和储能装置对EPTD容量的影响。然后结合能量利用系统的结构,提出了一种利用PTD分担EPTD补偿无功功率的容量优化方法,从而降低EPTD的运行容量。之后,为了提高能量利用系统控制的可靠性,提出了一种集中-分散控制策略,可以在故障时迅速恢复能量利用系统对再生制动能量的利用,从而增强能量利用系统抵御故障的能力。提出了一种基于统计学模型的储能装置容量优化方法,可以合理经济地配置储能装置的容量,实现能量利用系统经济高效运行。开发了能量利用系统的其它功能,包括削峰填谷、清洁能源利用、接触网主动电压控制和用做铁路应急电源,从而进一步提高牵引供电系统的智能化水平。最后对本文所提理论进行了仿真和实验验证。利用Matlab/simulink仿真平台搭建了牵引供电系统、PTD及EPTD的仿真模型,利用上述模型分别对文中所提的PTD和EPTD的再生制动能量调控策略、兼顾改善电能质量控制策略进行了验证。并搭建了小功率实验样机,验证了文中所提的电容电压平衡控制策略和功率传输约束限制范围。此外,还在Matlab中对集中控制策略、集中分散控制策略和储能装置容量配置优化方法进行了验证。仿真和实验结果证明了论文研究成果的正确性。