作为新一代牵引供电系统的关键技术,同相供电系统设计需要匹配牵引变压器接线方式,优化电能质量综合补偿策略,降低潮流控制器容量及其造价。针对高速铁路推广采用的自耦变压器(AT)供电方式和Vx接线方式,本文研究了既有高速铁路组合式同相供电系统改造方案,减少了电分相,解决了以负序为主的电能质量问题,提高了牵引供电的经济性和可靠性。针对广泛采用的Vx接线牵引变压器,研究了组合式同相供电改造方案,可以充分利用既有供电设施。基于端口电气量变换方法和平衡补偿理论,建立了系统等值数学模型。以电能质量标准限值为约束条件,计及电网侧三相电压存在的不对称性,优化了综合补偿策略和补偿容量配置方案。给出了组合式同相供电系统分别在三相电压对称和不对称情况下的检测算法。研究了适用于组合式同相供电系统同相补偿装置的控制方法,基于单相变流器结构,对比了变流器的直接电流控制方法和间接电流控制方法。比较了变流器线性控制和非线性控制策略的优缺点,选择了 αβ坐标系下直接功率控制方法,将其运用于组合式同相供电系统,利用仿真结果验证了直接功率控制方法的有效性。基于MATLAB/Simulink仿真平台,将优化补偿算法应用到上层控制策略,直接功率控制应用到下层控制策略,构建双层控制策略方案,搭建了组合式同相供电系统仿真模型。模拟分析了不同牵引负荷特性下基于Vx接线的组合式同相供电系统运行特性,验证了上述补偿方案和控制策略的正确性和有效性,为工程设计与应用提供了重要依据。