科技水平和电力技术的协同发展,推动了我国电气化铁路向高速、重载方向的不断创新。因此,使得电铁牵引供电系统的三大电能质量问题,负序、谐波、无功,以及“电分相”等问题变得尤为突出。为了更好的适应高速铁路的发展要求,牵引供电系统面临着牵引供电方式的改革,研究同相牵引供电系统是从本质上解决这些问题的有效手段。本文全面分析了现有同相牵引供电系统的类型以及所采用的拓扑结构,面对电铁高压、大容量治理的实际需求,总结出现有装置不仅需要笨重、庞大的变压器,而且存在成本高、器件利用率低等问题。为改进现有系统存在的不足,本文提出了基于三相三桥臂的模块化多电平变换器和V/V接线变压器的新型同相牵引供电装置。给出了新型同相牵引供电装置的结构示意图,分析了V/V接线变压器的负序电流特性、容量利用率及其优缺点,并介绍了MMC变换器的工作机理。运用矢量分析方法分别对基于全补偿和部分补偿两种工况下的新型同相牵引供电装置的补偿原理进行了深入的分析,揭示了装置有功转移与负序补偿的原理,同时给出了补偿电流与补偿系数、负载电流之间的关系。为降低装置的初始成本,进一步展开了装置补偿容量的讨论,对比分析了四种补偿方案下装置的补偿容量、有功传输和补偿效果,选择了基于最小补偿容量的补偿方案。采用了基于瞬时功率法的综合补偿电流的实时检测方法,针对补偿电流的生成,采用了载波移相脉宽调制技术。为了提高补偿电流跟踪的稳态精度和响应速度,引入了基于P1控制和重复控制的复合控制策略；同时为了解决传统的负序二倍频坐标变换不适用于同相牵引供电系统的问题,采用了一种基于比例谐振控制的环流控制方法。设计了新型同相牵引供电装置主电路参数的选取原则。最后,利用电磁暂态仿真软件PSCAD对同相牵引供电装置进行建模仿真。仿真结果表明,本文所提出的新型同相牵引供电装置具有良好的稳态和动态性能,能够以最低的补偿容量有效地改善电铁的电能质量,从而验证了本文所提出的新型同相牵引供电装置的拓扑结构和所采用的补偿方案、控制策略的正确性和可行性,为推动电铁向高速、重载方向发展提供了有效的途径,具有重要的工程意义和经济价值。