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由于牵引供电系统独特的供电结构以及机车负荷的非线性、波动性等特性，牵引供电系统存在功率因数低、负序含量高、谐波含量大等诸多方面的问题，严重危及到机车和公用电网的安全可靠运行。针对这些问题，采用铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，RPC)无疑是一种较为理想的解决方案。然而，由于RPC需采用两台单相多绕组耦合降压变压器，存在损耗高、占地面积大的不足。另外，RPC的补偿容量太大，导致装置的总体成本太高，限制了其在实际工程中的大范围推广应用。因此，研究具有成本优势、高可靠、高性能的电能质量补偿系统就显得极为迫切和必要。此外，铁路作为电能消耗的大户，在提高电能使用效率、降低用电成本等方面还有很大空间可以挖掘，因此开展再生制动能量回收的研究工作对电气化铁路的可持续发展具有十分深远的意义和价值。针对电能质量治理与再生制动能量回收的问题，本文提出了相应的解决方案，并对其电路拓扑结构与组成、补偿原理、控制器设计、模型仿真、硬件实验以及工程应用等方面进行了深入的研究与分析。主要体现在以下几个方面：
(1)基于3个典型牵引变电所的大量现场实测波形和数据，结合数理统计的方法，详细分析了牵引供电系统的负序电流/电压、功率因数、馈线电压波动以及再生制动能量回馈等特征量的基本特性和分布规律。这些内容为后续开展电能质量治理与再生制动能量回收的研究工作提供了重要的研究素材和参考依据。
(2)提出了一种基于YNVD平衡变压器的大功率混合型电气化铁路补偿系统。该补偿装置由无源滤波器和有源补偿装置有机组合而成。前者用来滤除主要次谐波电流和根据负载情况对无功功率进行分级补偿，后者用来抑制负序和补偿剩下的少量无功和谐波。该系统结合无源补偿和有源补偿两者之长，在获得相同电能质量治理效果的前提下，大幅降低了整套装置的总体造价。通过将有源装置直接集成到主变二次侧绕组的抽头上，提高了系统集成度。给出了无源装置的容量配置和无功功率分配方法，详细分析了有源补偿的负序、无功、谐波补偿原理和电流检测算法。在对系统离散数学模型进行构建的基础上，本文将无差拍-重复控制算法应用到变流器的电流内环控制中，并给出了控制参数的详细设计过程。最后，通过仿真和实验验证了所提拓扑和无差拍-重复控制策略的可行性。
(3)研究了一种由YNVD平衡变压器和综合潮流控制器(Integrated Power Flow Controller, IPFC)组成的电气化铁路新型同相供电系统。该系统充分利用YNVD平衡变压器二次侧三角形绕组引出抽头且灵活可调的优势，能够节省一台单相降压变压器。因此，可降低装置的成本与占地空间。介绍了该同相供电系统的整体结构，在建立系统等效电路模型的基础上，详细分析了该同相供电系统的补偿原理。为降低控制器的设计难度和减小控制算法的计算量，本文提出了一种基于广义积分迭代控制算法的电流控制器来实现综合潮流控制器的无差调节。最后，通过搭建软件仿真模型和小功率实验样机验证了所提拓扑和控制策略的正确性。
(4)提出了一种超级电容储能系统集成的铁路功率调节器(Supercapacitor based Energy Storage System Integrated Railway Power Conditioner，SCESS-RPC)。该系统兼具电能质量治理和再生制动能量回收的双重功能。为实现各变流器间的协调控制，提出了一种由能量管理层和变换器控制层构成的分层控制策略。变换器控制层嵌入在能量管理层中。在能量管理层，引入状态机来对SCESS-RPC的四种运行模式进行切换。在变换器控制层，针对RPC，在对其能量耗散特性进行研究的基础上，推导了RPC的欧拉数学模型，设计了一种基于无源控制的非线性控制器；针对DC-DC变换器，在建立其开关模型的基础上，研究了一种带积分器的线性二次调节器。最后，给出了SCESS-RPC分层控制策略的完整实施过程(包括控制算法流程图、参考功率给定和各控制器的控制框图)，并通过软件仿真和实验验证了所提拓扑和分层控制策略的正确性。
(5)结合某V/v牵引变电所的实际情况，联合研制了由四重化结构的RPC和3次、5次无源滤波器构成的统一电能质量控制系统(Unify Power Quality Manipulate System, UPQMS)工程样机。该系统采用有源装置和无源装置相结合的补偿方案，具有较高的性价比。首先，简单介绍了牵引变电所的基本结构、主变参数等相关工程背景。然后，阐述了UPQMS的拓扑结构、各部件的功能特性和参数配置，给出了UPQMS的补偿原理并对其控制策略进行了详细分析。最后，结合现场实测波形和数据，对UPQMS补偿前后牵引变电所的电能质量状况进行了定量评估。现场运行结果表明：UPQMS能够显著改善牵引变电所的电能质量，使其各项电能质量考核指标均能满足国家标准要求。此外，UPQMS还能有效提升牵引网的供电电压水平，提高铁路的运输能力和运行效率，具有极好的工程推广价值。
(1)基于3个典型牵引变电所的大量现场实测波形和数据，结合数理统计的方法，详细分析了牵引供电系统的负序电流/电压、功率因数、馈线电压波动以及再生制动能量回馈等特征量的基本特性和分布规律。这些内容为后续开展电能质量治理与再生制动能量回收的研究工作提供了重要的研究素材和参考依据。
(2)提出了一种基于YNVD平衡变压器的大功率混合型电气化铁路补偿系统。该补偿装置由无源滤波器和有源补偿装置有机组合而成。前者用来滤除主要次谐波电流和根据负载情况对无功功率进行分级补偿，后者用来抑制负序和补偿剩下的少量无功和谐波。该系统结合无源补偿和有源补偿两者之长，在获得相同电能质量治理效果的前提下，大幅降低了整套装置的总体造价。通过将有源装置直接集成到主变二次侧绕组的抽头上，提高了系统集成度。给出了无源装置的容量配置和无功功率分配方法，详细分析了有源补偿的负序、无功、谐波补偿原理和电流检测算法。在对系统离散数学模型进行构建的基础上，本文将无差拍-重复控制算法应用到变流器的电流内环控制中，并给出了控制参数的详细设计过程。最后，通过仿真和实验验证了所提拓扑和无差拍-重复控制策略的可行性。
(3)研究了一种由YNVD平衡变压器和综合潮流控制器(Integrated Power Flow Controller, IPFC)组成的电气化铁路新型同相供电系统。该系统充分利用YNVD平衡变压器二次侧三角形绕组引出抽头且灵活可调的优势，能够节省一台单相降压变压器。因此，可降低装置的成本与占地空间。介绍了该同相供电系统的整体结构，在建立系统等效电路模型的基础上，详细分析了该同相供电系统的补偿原理。为降低控制器的设计难度和减小控制算法的计算量，本文提出了一种基于广义积分迭代控制算法的电流控制器来实现综合潮流控制器的无差调节。最后，通过搭建软件仿真模型和小功率实验样机验证了所提拓扑和控制策略的正确性。
(4)提出了一种超级电容储能系统集成的铁路功率调节器(Supercapacitor based Energy Storage System Integrated Railway Power Conditioner，SCESS-RPC)。该系统兼具电能质量治理和再生制动能量回收的双重功能。为实现各变流器间的协调控制，提出了一种由能量管理层和变换器控制层构成的分层控制策略。变换器控制层嵌入在能量管理层中。在能量管理层，引入状态机来对SCESS-RPC的四种运行模式进行切换。在变换器控制层，针对RPC，在对其能量耗散特性进行研究的基础上，推导了RPC的欧拉数学模型，设计了一种基于无源控制的非线性控制器；针对DC-DC变换器，在建立其开关模型的基础上，研究了一种带积分器的线性二次调节器。最后，给出了SCESS-RPC分层控制策略的完整实施过程(包括控制算法流程图、参考功率给定和各控制器的控制框图)，并通过软件仿真和实验验证了所提拓扑和分层控制策略的正确性。
(5)结合某V/v牵引变电所的实际情况，联合研制了由四重化结构的RPC和3次、5次无源滤波器构成的统一电能质量控制系统(Unify Power Quality Manipulate System, UPQMS)工程样机。该系统采用有源装置和无源装置相结合的补偿方案，具有较高的性价比。首先，简单介绍了牵引变电所的基本结构、主变参数等相关工程背景。然后，阐述了UPQMS的拓扑结构、各部件的功能特性和参数配置，给出了UPQMS的补偿原理并对其控制策略进行了详细分析。最后，结合现场实测波形和数据，对UPQMS补偿前后牵引变电所的电能质量状况进行了定量评估。现场运行结果表明：UPQMS能够显著改善牵引变电所的电能质量，使其各项电能质量考核指标均能满足国家标准要求。此外，UPQMS还能有效提升牵引网的供电电压水平，提高铁路的运输能力和运行效率，具有极好的工程推广价值。