我国电气化铁路具有运营规模大、等级多、供电方式复杂以及机车类型多等特点。随着我国电气化铁路运营规模的不断扩大,尤其是高速铁路,如何保障给具有频繁冲击、大功率、高密度、成网化特点的牵引供电系统提供优质高效供电,面临着越来越多的挑战。主要表现在如下三个方面:1)作为电力系统最大的单体负荷,高速铁路牵引供电系统的能耗问题日益突出;2)建设一所多馈线多供电区间的枢纽型牵引变电所成为趋势;3)列车运行图的调整越来越频繁。这三个方面的挑战也是牵引供电系统在动态建模、系统级能耗分析、能耗优化、分析方法软件化等方面需要重点关注的内容。基于此,本文围绕高速铁路牵引供电系统能耗问题开展理论研究,主要解决牵引供电系统动态运行过程中的“牵引负荷建模—系统建模及潮流解析—系统能耗分析—能耗优化策略”等一系列理论问题和分析方法的软件化。论文的研究工作主要包括如下5个方面:(1)研究了计及行车运行的动态牵引负荷建模方法。结合现场实测数据分析了动车组在区间运行过程中有功功率和功率因数的动态变化趋势;然后,分别应用牵引计算基本理论建立了单列动车组的动态视在功率模型;在此基础上,结合行车运行图提供的车次、车型、运行时刻等信息,构建了整条线路全天24小时的动态负荷模型。(2)研究了动态牵引供电系统建模及潮流解析方法。根据动态牵引负荷模型提供的动车组数量、位置等实时信息,获得了任意时刻牵引供电系统的拓扑结构;结合牵引供电系统各个元件的数学模型,建立了多馈线(枢纽)牵引供电系统的通用数学模型;并分析了牵引供电系统动态潮流解析方法;仿真算例验证了上述建模及潮流解析方法的正确性。在此基础上,应用上述动态建模及分析方法研究了高速铁路牵引供电系统无功功率问题,揭示了造成新开通高速铁路牵引变电所平均功率因数低的关键因素是开行的动车组数量少。(3)研究了高铁牵引供电系统能量耗散分析方法。根据牵引供电系统的运行机理,将整个系统划分为“牵引供电网络(网)—牵引传动系统(车)—轮轨驱动系统(地)”三个子系统,简称“车—网—地”,剖析了各个子系统的能量耗散机理特性;应用动态牵引负荷模型和牵引供电系统动态潮流解析方法,计算了各个环节全天的动态能量消耗;然后,根据牵引供电系统潮流方向提出了电力系统能量和再生能量的辨识及统计方法;在此基础上,构筑了系统级的牵引供电系统能耗数据库,并研究了基于能耗指标和能效指标的评估体系。仿真算例分析验证了系统级能耗评估方法的正确性和实用性。(4)研究了基于灵敏度分析的高铁牵引供电系统能耗优化策略。根据牵引供电系统能量耗散机理,建立了简化的牵引供电系统能耗分析模型,推导了影响系统总能耗的关键因素;通过仿真分析探讨了牵引供电网络参数、技术速度等因素对系统总能耗的影响程度,应用灵敏度分析方法探明了影响系统总能耗的关键因素是运行速度;在此基础上,提出了基于行车轨迹优化和再生能量回收利用的高铁牵引供电系统综合能耗优化策略:先应用基于坡度感知的运行轨迹优化方法减小了单车运行时的总能耗,再应用基于背靠背变流器和超级电容的储能系统实现了多车运行时牵引供电系统再生制动能量的回收再利用,进一步降低了系统全天运行时的总能耗。(5)针对牵引供电系统分析方法的软件化,结合牵引供电系统的动态特性,分析了仿真平台的需求,应用模块化思路,构筑了仿真分析平台的关键模块,包括电力系统模块、动态牵引负荷建模模块、牵引供电系统建模和潮流解析模块以及系统级能耗及电能质量评估模块。在此基础上,阐述了仿真平台的实施流程,并通过仿真算例验证了该平台的实用性。本文形成了包括动态牵引供电系统建模方法(含牵引负荷和牵引供电网络)、动态潮流计算方法、能耗分析评估方法以及综合优化策略的理论体系。在此基础上,开发了牵引供电系统动态仿真分析软件。文中的分析方法能准确地分析牵引供电系统电气量的动态特性,可实现考虑行车运行图的高铁牵引供电系统全线路全天候的能耗分析评估。