近年来,我国城市轨道交通发展迅速。研究地铁再生制动能量回收利用技术,加入储能装置以提升再生制动能量利用率,符合城市轨道交通发展的方向,对节约能源和可持续发展具有重要的意义和价值。飞轮储能技术凭借其快速响应能力、高功率密度以及环保无污染等特点,在提升地铁再生制动能量利用率、平抑牵引网电压波动等方面具有独特的优势和发展前景。本文首先分析了飞轮储能装置的工作原理,确定影响飞轮储能系统容量的性能参数,进而研究飞轮储能系统充放电过程中能量转换关系。其次,建立机车动力学模型,计算地铁机车制动产生能量,并结合机车制动特性曲线,研究地铁再生制动功率特性,为设计飞轮储能系统容量奠定基础。同时,利用仿真软件MATLAB/SIMULINK搭建北京地铁13号线牵引供电动态仿真平台,为研究机车车辆在各工况下的能量关系提供分析工具。再次,优化飞轮储能电机控制策略。当储能系统工作于储能模式时,飞轮电机采用基于前馈解耦的控制策略。同时,为了提升释能模式下的控制性能,在设计控制算法时,使用了逆系统方法,应用滑模变结构理论对飞轮电机进行控制。最后,为了满足地铁再生制动能量吸收要求,提升飞轮系统的储能量,提出了飞轮阵列解决方案。飞轮单元以直流母线并联的形式并联于直流电网中,并以功率匹配为原则,设计二级控制器控制储能阵列内各飞轮单元。同时,搭建SIMULINK仿真模型,验证不同条件下的飞轮储能阵列系统工作情况。仿真结果表明本文所设计的飞轮储能阵列系统能够有效回收利用地铁再生制动能量,实现稳定牵引网电压的功能。