铁路特别是高速电气化铁路作为国民经济的大动脉,对国民经济和社会发展具有重要作用。电力电子技术促进了高铁技术进步和迅速发展,但电力电子设备非线性特性和电力机车的供电方式,给电网和牵引供电系统带来了日益严重的负序和再生制动能量冲击问题,愈来愈受到学术界和产业界的高度重视。铁路功率调节器(Railway Power Conditioner,RPC)通过动态调节两供电臂有功平衡和无功补偿,实现电网电压平衡、抑制再生制动能量冲击并提高其利用率,是高铁供电系统电能质量管理领域的一次重大进步。然而传统的RPC技术用于解决上述问题并不成熟。为此,本文针对高铁负序补偿与再生制动能量回馈利用技术进行了细致深入的研究,主要研究内容包括:(1)论述了牵引供电系统电能质量治理技术及其应用,深入分析并比较了多种牵引供电系统电能质量特性,总结了 RPC的技术现状并指出其发展趋势,阐述了课题的重要意义。(2)针对RPC直流侧电压响应速度慢、超调大等问题,提出了直流电压变参数PI控制策略,通过建立直流电压误差与PI参数的函数关系,动态调节PI参数,从而加快系统对误差的响应速度并减少超调,对比实验证实了该方法的准确性。针对RPC交流侧补偿电流受供电臂电压畸变影响大的问题,提出了交流电流复合控制策略,通过在准PR控制基础上增加前馈环节,能有效改善系统对供电臂电压畸变的适应性和动态性能,相比于准PR控制策略,复合控制策略在保证良好的负序治理效果的同时,在供电臂电压畸变情况下,显著提高了输出电流质量。(3)针对混合型高铁电能质量补偿系统(HPQCS)容量设计问题,通过分析HPQCS的拓扑结构,探讨了 HPQCS非对称补偿原理,推导了 HPQCS非对称补偿容量计算公式,并就对称补偿容量和非对称补偿容量进行了对比分析。为了减少系统运行电流和损耗,从而提高HPQCS长期运行能力,研究了负序优化补偿原理,并对比分析了完全补偿和负序优化补偿之间的差异。针对不同负载工况下在线实时计算补偿电流问题,研究了电压不平衡度与补偿电流之间的关系,推导了负序优化补偿计算方法,提出一种适用于不同负载工况的在线实时补偿电流计算方法。算例分析和仿真实验验证了 HPQCS负序优化补偿的有效性和可行性。(4)针对电力机车再生制动能量利用率很低,且牵引变压器峰值功率冲击问题,提出了一种由RPC和超级电容(SC)储能装置构成的新型储能式高铁电能质量补偿系统(SC-PQCS),分析了 SC-PQCS拓扑结构和双向DC-DC变换器,完成了系统主要参数设计。引入了削峰功率设定值和平缓充电功率设定值,分析了包括再生制动能量控制模式在内的三种工作模式,构建SC-PQCS和RPC等效电路,对比分析了这两种补偿系统的再生制动能量利用率。仿真实验结果验证了该系统不仅能够解决高铁供电系统负序问题,还能显著提高电力机车再生制动能量利用率,并且利用闲时充电峰值放电功能,有效改善了峰值负荷对变压器的冲击,提高了变压器的利用率,具有良好的理论研究价值和工程应用前景。本文开发了小功率实验样机,设计了实验样机主电路框图、主控制器、驱动电路、连接电抗、直流电容和超级电容储能系统,给出了参数计算方法。实际运行结果表明该实验样机主要性能指标达到了预期设计目标。本文研究的高铁负序补偿与再生制动能量回馈利用技术,进一步丰富和完善了高铁电能质量治理理论和技术体系,对其他同类系统的研制也具有参考价值和借鉴作用。