如何有效吸收利用再生制动能量始终是城市轨道交通牵引供电领域内的一个重要研究问题,牵引供电费用在总用电费用中占比约50%,而电费又大约占据城市轨道交通总运营费用的40%。随着城市轨道交通网络日益扩大,牵引供电的节能对城轨运营成本的减少具有重大的意义。目前,国内城轨供电系统对再生制动能量的回收已从最初的消耗型发展为如今的能馈型与储能型,但是,能馈系统存在向主变电所返送电能的情况,储能系统则具有同等功率下成本较高的问题。针对现阶段供电系统仅使用单一装置,无法实现两种装置优势互补,从而难以最大化节能效果的问题,本文以含混合式地面再生制动能量利用装置的城轨供电系统为研究对象,在系统中同时投用能馈与储能装置,通过对系统各部分进行建模,研究城轨供电系统潮流计算算法,建立对应的优化模型,并利用基于正态分布交叉算子的带精英策略的非支配排序遗传算法（Elitist Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-Ⅱ）对该系统进行优化设计。本文分析了城市轨道交通直流牵引供电系统的结构,分别建立了牵引变电所以整流模式运行的供电计算模型、与供电分区长度相关的“接触网-钢轨-大地”三层地网模型以及装有车载制动电阻的列车在牵引与制动时的供电计算模型。本文分别研究分析了牵引所中储能装置与逆变回馈装置的拓扑模型及其工作特性,建立了牵引所使用两种装置时不同运行模式下的供电计算模型,并制定了运行模式间的转换方案,探讨了牵引所中各装置与列车间的能量流动关系。而后,提出了计及逆变回馈装置工作周期制的动态调整策略,研究了含混合式地面再生制动能量利用装置的城轨供电系统潮流计算算法,通过与实测数据对比,验证了改进后的算法结果与装置实际负荷过程更吻合。本文利用供电计算算法,分析了逆变回馈装置启动电压对供电系统能耗的影响,并研究了整流机组空载电压与列车发车对数对选取逆变回馈装置最佳启动电压的影响:当逆变回馈装置启动电压过高或过低时,装置对系统的节能效果均会减弱;当系统空载电压较高、列车发车对数较为稀少时,适当降低逆变回馈装置的启动电压有利于增强其节能效果。本文针对含混合式地面再生制动能量利用装置的城轨供电系统,以装置成本最低与主变电所能耗最低为优化目标,建立了供电系统的优化模型。为了解决常规NSGA-Ⅱ优化算法在使用模拟二进制交叉算子时搜索空间不够完整的问题,本文在NSGA-Ⅱ算法的交叉过程中引入正态分布交叉算子,并结合供电计算算法,给出了供电系统优化模型的求解方法,优化结果表明,基于正态分布交叉算子的NSGA-Ⅱ优化算法在求解城轨供电系统优化模型时得到了完整度更高的帕累托最优解集。本文采用基于正态分布交叉算子的NSGA-Ⅱ优化算法的城轨供电系统优化模型求解方法,以实际工程为例,对含混合式地面再生制动能量利用装置的城轨供电系统进行优化设计,得到最优配置方案的集合,说明了该求解方法可以用于对实际地铁工程进行优化设计。探讨了装置成本与系统能耗之间的关系:对城轨供电系统而言,再生制动能量利用装置成本越高,主变电所能耗越小,但当装置成本超过某个数值后,随着成本的增加,系统能耗减小的幅度明显减缓,此时投入更多装置对系统节能效果的改善作用会减弱。分别对采用A型车与B型车的系统进行优化设计,分析了两个系统优化结果的差异。揭示了投入再生制动能量利用装置可以为供电系统节能的机理:相较于不使用再生制动能量利用装置的城轨供电系统,投用装置后主变电所节省的电量本质上是车载制动电阻少消耗的能量与主变电所返送电量的差值。