电气化铁路牵引供电系统存在如负序、谐波、电压波动等诸多电能质量问题。尽管交-直-交型电力机车具有输出电流特性好、功率因数高等特点,且在铁路运输行业得到了大力的推广及使用,但其高速重载的发展趋势使得原本就突出的负序不平衡、电压波动等问题变得更为严重。为此,铁路部门不得不使新建牵引变电站接入电压等级更高的电网,试图以更大的系统容量来弱化这种影响,但这并不能从根本上解决负序问题。因此,有必要对高速重载牵引供电系统中突出的电能质量问题进行充分研究,并提供有效的应对措施及解决方案。本文基于国家自然科学基金项目(51477046和51377001)、国家电网公司科技项目(5216A0140002)所提供的资助和支持,创新性地提出了符合高速电气化铁路发展趋势、满足大容量牵引补偿需求的潮流控制系统,并就其系统拓扑与构成、补偿策略与方法、电流跟踪与控制、系统稳定与容量、模型仿真与实验等关键技术问题展开了较为深入的分析与研究。具体来讲,主要包括以下几个方面:(1)基于不同类型牵引变电站大量实测数据,对牵引供电系统中负序、谐波、功率因数及回馈能量等特征量的基本特性及变化规律进行了分析研究,为后续电能质量问题治理手段的确立、系统仿真及实验研究的开展提供了一定现实依据。(2)提出了一种以YNvd平衡牵引变压器输出电压正交特性为基础,以牵引网一次侧总的功率因数不小于0.9和电流不平衡度不低于10%为补偿目标的部分补偿策略。该策略物理意义明确,不涉及复杂的优化算法,易于工程实现。文中详细推导了该策略相关数学关系式,给出了该策略具体实施方法,讨论了其容量优势。由于普通平衡牵引变压器都具备输出电压正交特性,故该策略适合各种平衡牵引变压器,具有较大的实用价值。(3)提出了一种基于YNvd平衡牵引变压器的并联+级联型大容量潮流调节系统。该系统通过从YNvd平衡变压器二次侧三角形绕组引出低压单相抽头,与一台单相多绕组降压变压器一起,分别连接到多重背靠背H桥变流器的两侧,并采用一侧并联另一侧级联的新型不对称耦合方式。文中详细分析了该系统的拓扑创新与优势,阐明了在该结构下实施系统补偿的具体方法。(4)研究了一种基于电路无源耗散特性的变流器输出电流跟踪控制方法。以基于YNvd平衡牵引变压器的并联+级联型大容量补偿系统为例,详细讨论了该控制方法的物理本质及实现步骤,分析了实际应用中系统参数存在偏差时或系统因LPF滤波引入延时后该控制方法的稳定性。通过大量仿真与实验对所提系统的电路拓扑、部分补偿策略以及该方法的跟踪控制性能等进行了研究与验证。(5)提出了一种适用于高速电气化铁路同相补偿的并联有源+串联混合型静止无功发生系统。与基于传统背靠背变流器以实现潮流转移的同相补偿系统不同,该系统具有独特的串、并联连接方式,在变流器仅发出无功的情况下就能实现两侧有功和无功功率的补偿,且可以做到两侧变流器无耦合控制;通过借鉴混合补偿思路,在耦合支路上加入电容元件以分担无功补偿容量,大大减小了混合变流器中有源部分的负担,提升了系统的性价比。文中详细分析了该系统的补偿策略及方法,对补偿电容进行了设计。在该拓扑及策略下,评估了牵引网一次侧可达到的补偿效果及变流器所需容量,搭建了仿真模型并设计了小容量实验平台,验证并分析了该系统在不同工况下的工作特性及补偿性能。(6)结合实际工程需要,研制了一台小容量统一功率控制系统(Unified Power Manipulate Supply,UPMS)原理样机。首先,介绍了该样机系统的基本结构和控制方法,然后着重对该系统主要软件功能模块的实施进行了说明。最后,讨论并分析了相关测试结果。基于一台实际大容量UPMS工程样机现场试验及测试结果,分析了该大容量UPMS的补偿性能,并得到以下结论:UPMS可有效改善牵引变电站一次侧功率因数,降低负序电压、电流不平衡度,滤除主要低次谐波电流,缩小供电臂的电压波动范围,具有较好的工程应用前景。