现行的单相工频牵引供电系统对三相电力系统造成的三相负荷不平衡、无功和谐波污染问题,特别是其中换相序连接措施对机车的高速、重载运行产生的不利影响,尽管已经采取了一些解决问题的措施,但是效果仍然有限。随着大容量电力电子器件的相继问世和现代电力电子控制技术的发展,以综合潮流控制器为关键设备的同相牵引供电系统应运而生,对现行铁道牵引供电系统导致的上述问题进行综合解决。对于目前广泛采用的各种接线形式的牵引变压器,本文首先简要说明了结合YN,vd平衡牵引变压器的同相牵引供电系统方案,分析了同相供电综合潮流控制器的结构和平衡变换原理,揭示了潮流控制器的电压、电流和功率变换关系。较为全面的分析了多种大容量变流器的拓扑结构和工作原理,比较了二极管中点箝位、飞跨电容中点箝位以及级联链式结构的多电平变流器拓扑结构的优缺点,结合电气化铁道牵引负荷的特点,提出了基于两电平电压源换流器四重化和二极管中点箝位三电平电压源换流器两重化的综合潮流控制器主电路结构形式；对两种主电路结构的基本电气参数进行了分析和计算；提出了采用有功功率分离法和利用载波移相和多载波脉宽调制技术的直接电流控制法来进行无功、谐波电流检测和生成补偿指令电流,并针对三电平换流器特有的中点电压平衡问题,提出了将两个电容电压差值与零点比较来控制电容充放电的中点电压控制方法。以某牵引变电所的实测数据,通过MATLAB/Simulink软件分别对两种主电路结构的综合潮流控制器进行了建模和仿真研究,根据仿真结果对谐波及三相不平衡度的电能质量指标进行了考核,验证了主电路结构,参数及控制方法的正确性和可行性。