随着高速铁路运营里程和行车密度的增大,牵引供电系统用电量逐年增加,其节能降耗问题成为关注的热点。高铁牵引供电系统能量消耗环节众多,每个环节的能耗特性各不相同。因此,建立全系统能耗模型,并揭示其能量耗散特性与流动规律,进而提出有效的节能降耗措施,具有重要的研究意义。首先,研究了高速铁路动车组-牵引供电网络能量耦合模型(简称,车网耦合模型)及其能耗解析方法。结合牵引供电系统的拓扑结构及能量传输途径,将牵引供电系统分为牵引供电网络和牵引负荷(动车组)两个部分。针对牵引供电网络,根据其拓扑结构和各个设备的运行特性,建立了包含公共电网、牵引变电所和牵引网的供电网络能耗数学模型。针对动车组,分析了其受力情况和运动方程,并建立了相应的能耗模型。在此基础上,结合动车组运行能耗的机电耦合和能量耦合特性,建立了车网耦合能耗模型。根据牵引供电系统潮流解析方法,介绍了车网耦合系统的能耗计算方法,并通过仿真算例验证了建模方法和解析方法的正确性。接着,分析了车网耦合系统的能耗特性,探讨了影响系统整体运行能耗的关键因素。结合车网耦合模型,分别讨论了供电网路参数、运行参数对牵引供电系统能耗的影响。分析结果表明,影响高铁牵引供电系统能耗的关键因素在于动车组运行速度轨迹和系统再生制动能量。然后,研究了基于动车组运行轨迹优化的节能方法。阐述了动车组恒速运行策略,结合各工况运行规则和换坡道运行过程,给出了动车组在区间运行的牵引计算方法。应用控制参数化方法将运行最优控制问题转化为非线性规划问题,并根据优化结果建立了区间运行的目标速度序列。结合牵引计算算法实现了动车组运行速度曲线的优化,在此基础上结合行车运行图实现了全线全天负荷计算。算例结果表明,运行优化策略能够减低系统总能耗10.5%。最后,研究了基于再生储能系统优化配置的增效方法。从再生能量产生位置和剩余再生能量功率特性两个方面分析了再生能量特性。然后,研究了以供电臂为储能单元的地面式储能系统结构和超级电容器储能介质。结合储能系统运行策略,以经济效益为优化目标,建立了储能系统参数配置的非线性优化模型,通过遗传算法与算法求解器结合的双层优化算法进行求解以确定储能系统最优参数配置。最后,通过仿真算例确定了再生储能系统选址和参数优化配置方案,有效提升供电系统能效1.5%。