随着储能技术的快速发展,储能方式已经成为国际上解决城轨再生能量利用问题的主流方案,包括地面式和车载式两种应用形式。由于单一的地面储能系统或车载储能系统都不能在保证节能率的前提下有效降低再生制动回收失效发生的概率,因此为了提高再生制动能量利用率,本文提出用车载储能系统代替制动电阻,与地面储能系统结合共同吸收再生制动能量并稳定牵引网电压,有效抑制再生制动回收失效的发生。围绕车载-地面储能系统的应用,就等效模型建立、容量配置优化和充、放电阈值控制策略展开理论研究,并根据实际城轨线路进行仿真验证。首先,建立了包含牵引变电站、列车、储能系统的城轨交通直流牵引供电系统等效模型,通过潮流解析验证纯地面储能系统由于受到传输距离的限制,即使容量无限大也无法回收全部再生制动能量。剩余再生制动能量会导致直流牵引网网压抬升,以至于发生再生回收失效。车载-地面储能系统则能够较好解决该问题,利用小容量的车载储能系统可以回收纯地面储能系统无法回收的剩余再生制动能量。然后,对于城轨交通这样的多能源耦合系统进行容量配置优化需要考虑整体效益,本文提出的车载-地面储能系统容量协同优化算法,利用带精英策略的非支配遗传算法实现经济效益率和节能率的多目标多变量优化,车载储能系统兼具为列车提供紧急牵引能量的能力。传统多目标优化算法是将目标函数进行人为加权计算转化为单目标函数进行优化,然而非支配遗传算法通过拥挤度计算可以避免人为定义权重的不合理性。算例研究表明,优化后的容量配置结果相比于纯地面储能,节能率提升了8.41%,经济效益率提升了6.57%。容量配置优化结果为后续储能系统能量管理策略研究奠定基础。最后,由于传统固定阈值控制策略在直流网压波动时节能效果差异显著,本文提出将离线优化与在线优化相结合的阈值控制策略。在确定发车间隔工况下通过遗传算法离线优化充放电阈值参考值,将离线优化结果作为在线优化的初始条件。列车在运行中,若空载电压抬升,参考阈值不再能使储能系统有效回收并释放制动能量时,在线控制策略通过统计储能系统的回收能量值对充放电阈值进行校正。基于实际运行地铁线路的算例仿真分析表明,在线优化控制策略可以在4至7个发车间隔周期内完成对充放电阈值的校正。该阈值控制策略能够使储能系统有效抑制空载电压波动带来的不良影响,保障了储能系统的良好节能效果。