城市轨道交通多采用直流牵引供电系统,出于建设成本的考虑,供列车运行的走行轨通常兼做列车电流的回流轨。然而列车电流回流过程中在走行轨上产生压降,使走行轨与大地之间存在电压差,即轨道电位,进而导致部分回流电流泄漏至大地形成杂散电流。杂散电流致使地下金属管线腐蚀,从而引发频繁的显性或潜在安全事故。而已有的轨道电位与杂散电流治理措施未能从根源上解决问题,治理效果不佳。本文根据影响金属管线腐蚀程度的两个要素:杂散电流的大小与作用时间的长短,提出从杂散电流幅值与作用时间两个维度同时入手治理杂散电流腐蚀的新思路。基于电力电子技术手段,本文提出构造并移动虚拟回流地,实现轨道电位分布幅值的减小与作用时间的缩短,从而达到同时降低杂散电流幅值与作用时间的目的。具体内容如下:研究了能实现虚拟回流地构造及其移动的零阻变换器系统。首先定义虚拟回流地的概念:与牵引所负极轨道电位相等的回流地。通过在走行轨上构造并移动虚拟回流地,实现列车电流在走行轨上回流路径（即载流段）的缩短与移动,进而实现轨道电位分布幅值的降低与作用时间的减少。经对比分析,提出一种能够实现构造并移动虚拟回流地的零阻变换器系统,主要由负阻变换器、开关单元与零馈线组成。阐述零阻变换器系统的工作原理与零阻调节机理,建立零阻变换器系统接入前后的轨道电位、杂散电流与泄漏电量数学模型,明确零阻变换器系统中的开关单元数量的影响,验证了零阻变换器系统的降低效果。研究了零阻变换器系统的电路拓扑与控制策略。提出非隔离型负阻变换器电路拓扑,将回流电流流经的开关器件数量减少至一个,最大程度地降低了负阻变换器的通态损耗。根据零阻变换器系统的结构特点,提出简单、可靠且低成本的列车位置双电容检测方法,形成零阻变换器系统的控制策略。此策略通过判断电容的电压正负方向与比值,得到列车所在区段的信息,据此调节负阻变换器与开关单元协同工作,始终在列车载流段两端构造虚拟回流地。为能够在实验室的牵引供电模拟系统中验证零阻变换器系统的工作情况,提出一种非隔离的能量回馈型模拟列车电路拓扑,实现列车多工况的连续模拟,并且通过能量回馈降低输入电源的功率。通过建模与实验两种方式,验证了零阻变换器系统的电路拓扑及控制策略,能够在不同接地方式与列车工况下构造并移动虚拟回流地。研究了零阻变换器系统的优化方法、可靠性与容错运行。提出零阻变换器系统的开关单元位置优化方法,同时减少牵引与制动工况的轨道电位分布幅值及作用时间,提高零阻变换器系统对轨道电位、杂散电流与泄漏电量的综合降低效果。根据零阻变换器系统故障对虚拟回流地构造及移动的影响,分析负阻变换器、开关单元与零馈线故障在牵引供电系统中的电路等效方法,并据此将各故障分类,分析典型故障的产生与作用机理。进而形成对应各类故障的容错控制策略,提高了零阻变换器系统的运行可靠性。通过仿真与实验两种方式,验证了所提的优化方法与容错控制策略。研究了城市轨道交通典型线路多列车运行时零阻变换器系统的协调优化控制。提出了上/下行线路共用零阻变换器系统的多列车轨道电位降低方法,节省系统成本与安装体积的同时,保证上/下行线路获得较为一致的治理效果。基于轨道电流最大区段的检测方法,形成了系统协调优化控制策略。此策略以双电容检测单元为基础,始终在轨道电流最大的区段两端构造虚拟回流地,增加经虚拟回流地回流的电流,减少走行轨上的电流,实现轨道电位分布幅值与作用时间的共同减少,达到从源头治理上/下行线路杂散电流腐蚀的目的。根据前述开关单元位置优化方法,设计多列车运行时的开关单元位置,提高上/下行线路包括轨道电位、杂散电流与泄漏电量在内的综合治理效果。为验证多列车运行时系统的工作情况,研究零阻变换器系统的多列车等效叠加方法。在相同的开关单元时序下,将每列车单独运行的轨道电位进行线性叠加,得到与多列车协同运行时相同的轨道电位分布。仿真与实验结果验证了所提零阻变换器系统共用、协调优化控制策略与等效叠加方法的正确性及可行性。本文有图160幅,表27个,参考文献149篇。