随着电气化铁路的快速发展,由电气化铁路引起的电能质量问题越来越严重,电力机车作为一种单相大功率整流型负荷,会给电力系统带来广泛的负序、谐波和无功问题,这些问题严重影响电力系统发、输、配电的安全运行。因此,有必要对电气化铁路引起的电能质量问题进行综合补偿,以提高牵引供电系统的可靠性。本文首先在研究电气化铁路电能质量问题产生原因和机理的基础上,对目前现有的补偿技术进行了探讨。无源补偿装置造价低,但是补偿效果不佳,无法做到完全补偿；有源补偿装置补偿效果好,但是现有有源补偿方法所需有源补偿容量大,系统造价高。基于现有补偿技术的不足,本文提出了三种电磁混合补偿方案,分别分析了这三种补偿方案的工作原理和控制策略,并对三种补偿方案的适用范围作了对比和研究。主要工作和创新点为：(1)针对传统铁路功率调节器(RPC)补偿容量大的缺点,本文提出了一种基于RPC的电磁混合型电能质量补偿系统。该系统由RPC和基于磁控电抗器的磁控静止无功补偿器(MSVC)组成,利用MSVC补偿所需的无功功率,RPC仅用作传递有功功率和有源滤波,从而降低了有源补偿容量,并实现了负序、谐波和无功的综合治理。利用无源型器件造价低的特点降低了系统整体造价。本文首先分析了混合补偿系统的拓扑结构,针对VV牵引供电系统的特点分析了其工作原理,并提出了在一定补偿裕度下的补偿容量优化方法,且对系统的谐振特性进行了分析,然后提出了相应的控制策略,最后通过仿真和实验验证了所提系统的有效性。(2)利用VV牵引变压器下两侧供电臂所需补偿无功性质一定的特点,有学者在RPC的基础上,通过在两侧变流器输出侧分别串联电感支路和电感-电容支路的方法,提出了混合电能质量补偿器(HPQC)的补偿结构,以减小有源补偿容量。本文在分析传统HPQC补偿原理的基础上,为了解决传统HPQC不能在变化负荷下有源输出容量和电压保持最小的问题,提出了一种基于HPQC的混合电磁电能质量补偿器(HEMPQC),该补偿系统由磁控静止无功补偿器(MSVC)和HPQC构成。相比传统HPQC,本文提出的HEMPQC能够利用MSVC提供的可调无功功率实现在不同负荷下有源输出容量最小。本文在分析传统HPQC补偿原理和不足之处的基础上,揭示了传统HPQC降低有源容量的物理原因,得出了在任意负荷下MSVC的输出电流以使得有源补偿输出功率最小；同时对变流器输出耦合支路阻抗值进行了优化以使得无源补偿安装容量最小,并对谐波抑制特性和谐振特性进行了分析；基于瞬时电流检测方法,提出了相应的控制系统,使得补偿系统的响应速度满足铁路负荷动态补偿要求；最后,通过仿真和实验验证了提出方法的有效性。(3)传统HPQC利用背靠背变流器输出分别串联固定的电感-电容(LC)支路和电感(L)支路能够降低直流电压,降低补偿容量。但由于其输出串联阻抗固定,只能针对某一特定的负荷工况,对于变化的负荷则需要增大补偿容量以保证补偿效果。为了解决这一问题,除前文提到的HEMPQC的方法外,本文还提出了一种改进型HPQC的补偿结构,利用在变流器输出侧串联分组投切的LC支路和L支路,根据不同负荷动态调节输出耦合支路的阻抗值,以达到降低补偿容量的目的。本文在分析补偿原理的基础上,对分组支路的参数选择和支路投切判定原则进行了详细分析,并提出了相应的控制系统。仿真和实验结果表明,本文提出的改进型HPQC能够降低直流电压,进而降低系统有源补偿容量。(4)研究了背靠背变流器的主要元件参数设计方法和小容量实验平台研制技术。本文对广泛采用的背靠背型变流器的主要元件参数的取值方法进行了讨论,根据电力电子器件的容量和控制性能为前提,提出了铁路功率调节器中降压变压器的变比和容量、交流耦合电感和直流侧电容参数的设计方法。对于本文中实验使用的实验平台进行了说明,主要介绍了实验平台的主电路结构,并对控制系统硬件设计中的控制板、过零检测电路、AD采样电路和通信电路进行了分析,介绍了控制系统软件设计中各模块的主要功能和设计方法。通过对模拟实验装置研制的介绍为以后实验样机的研制奠定了基础。最后对于本文提出的三种混合补偿系统的优缺点进行了分析和对比,提出了其各自的适用工况和应用范围,对其工程实际应用有一定的指导意义。