电气化铁路具有速度快、运量大、综合效益突出等优势,是铁路发展的必然趋势,但也给担负其供电任务的沿线电网带来了更高的要求。由于电气化铁道采用单相供电方式,并使用非线性大功率单相多段全波或桥式整流电力机车,因此,在电气化铁道牵引供电系统中仍然存在无功、谐波和负序问题。无功、谐波和负序这三大因素不仅影响到电气化铁道的安全运行,而且还对当地电网产生不利的影响。针对日益严重的电能质量问题,铁道部门也采取了相关措施和相关补偿设备对电气化铁道电能质量进行控制,取得了可喜的成绩。但是,由于各种补偿装置存在一定的缺陷性,牵引供电系统中仍然存在无功、谐波和负序问题。磁控电抗器及混合滤波器系统是改善电气化铁道电能质量的有效途径。因此,开展磁阀结构合理、动态响应速度快、谐波低的磁控电抗器以及性能高、稳定性好的混合电力滤波器系统的研究对改善电气化铁道的电能质量有着重要的意义。本文针对电气化铁道电能质量问题,对新型磁控电抗器的磁阀结构、谐波优化、快速响应特性以及性能高、稳定性好的混合电力滤波器系统进行了详细的研究,并得到了一些具有工程意义的结论。论文主要从以下方面开展研究并取得了相应的成果：(1)介绍了磁控电抗器的结构及工作原理,讨论了磁控电抗器铁芯材料的磁化曲线模型。根据磁控电抗器等效电路建立了电抗器的基本方程组,分析了磁控电抗器的三种基本工作状态。根据磁控电抗器基本模型,采用ATP-EMTP仿真软件分析了磁控电抗器的伏安特性和控制特性。仿真结果表明：磁控电抗器的伏安特性曲线具有明显的非线性,在一定交流工作电压范围内呈现出恒流特性。控制特性曲线也为非线性关系,可以根据控制特性曲线改变磁控电抗器直流控制电压,从而调节其输出容量。(2)从磁控电抗器的等效电路入手,分析了磁控电抗器在空载、半极限饱和、极限饱和等三个基本工作状态下的电磁暂态过程,并详细地推导了电磁参数的一般表达式。基于电磁场的基本理论,建立了单级磁控电抗器的物理仿真模型,利用了Ansoft Maxwell仿真软件,分析了单级磁阀式电抗器的磁场分布及涡流损耗。同时,还对电抗器的各种磁阀结构进行了优化分析。优化结果表明：多级磁阀结构的电抗器磁场分布均匀,磁力线规则、流畅,抑制边缘效应效果明显；多级磁阀铁芯损耗比单级磁阀型电抗器降低了47.6%,线圈(?)流损耗比单级磁阀电抗器降低了62.9%。对于双级磁阀式电抗器最优面积比为3：2：1,总损耗为10.9348W,略低于单级磁阀式电抗器总损耗11.36W。(3)在单级磁控电抗器的谐波特性的基础上,针对四级电抗器铁芯的等效模型,推导了四级磁阀式电抗器铁芯的等效磁化曲线。依据四级磁阀式电抗器等效电路方程,得出了四级磁阀式电抗器的谐波电流表达式。详细分析了电抗器在不同工作状态下,各饱和度之间的关系,并对其进行了谐波优化。同时,分析了电抗器的过渡过程产生的原因以及常规提高电抗器响应速度的办法。依据电抗器快速响应的机理,提出了利用PWM可逆变换器技术来提高磁控电抗器快速响应的新方案。实验结果表明：①四级磁控电抗器的较单级及双级磁控电抗器具有较好的谐波特性,大大地减少了各次谐波及总谐波含量,总的谐波含量最大不超过3.7%,3、5和7次谐波电流最大幅值分别不超过额定值的3.6%、1%、0.88%。②应用PWM可逆变换器,大大地提高了磁控电抗器的响应时间。电抗器从空载到额定,或是在额定转换为空载状态时,其响应速度均只有2个周波。(4)以鹰潭变电所及鹰潭南牵引变电站为测试点,详细分析了鹰潭变电站及鹰潭南牵引变电所的谐波电压、谐波电流、功率因素、有功功率、无功功率及三相不平衡等电能质量状况。分析表明：①3、5、7、11次谐波电压含有率和电压谐波总畸变率均超过国家标准。②电流谐波含量非常大,按最宽松的标准,3、5、9、15、17、19、21次谐波电流也超过国家标准。③功率因数随时间变化较大,波动较为明显。最低功率因数仅为0.037,并且在长时间段内,功率因数很低只有0.1左右。向系统倒送无功功率现象非常严重。并导致系统电压超过额定电压占总时间80%左右。④鹰南牵引变电站三相电压不平衡度的最大值为4.83%,95%概率最大值为2.89%,均大大超过国家2%的标准值,并且超过国家标准的时间占总时间的16%。(5)在瞬时无功理论的基础上,讨论了改进型单相电路谐波电流检测及指定次谐波电流检测方法。对有源电力滤波器建立了平均化模型,并基于H。控制理论对有源电力滤波器进行了鲁棒性分析与计算。提出并详细分析了注入式混合电力滤波器用于电气化铁道谐波抑制的方案,实验表明：①基于H∞控制的电气化铁道谐波抑制效果良好,参数摄动时,THD相对变化较小,系统能很好地跟随负荷的变化,系统具有很强的鲁棒性。②注入式混合型滤波器明显地改善无源滤波器的滤波效果。总波形畸变率约降到11%,分别比无滤波装置和只加装3次、5次无源滤波装置的总波形畸变率约下降了73%和62%。另外,注入式混合电力滤波器在保证滤波效果的同时,大大地降低了有源电力滤波器的容量。(6)基于Hilbert变换理论,分析了检测电气化铁道有功功率及无功功率的基本原理。采用了负荷平衡化方法,推导了磁控SVC对电气化铁道无功补偿及负序平衡的容量配置公式。阐述了磁控SVC补偿电气化铁道无功及负序的控制策略,并分析了控制系统的软硬件实现。实验结果表明：①基于Hilbert数字移相滤波的无功功率测量方法可以有效和快速地检测出电气化牵引负荷中迅速变化的有功和无功电流分量；磁控SVC能够快速和准确地发出实时计算出来的补偿容量,并使系统的功率因素达到接近1的水平,三相电流基本对称,磁控SVC动态补偿效果明显。②有源滤波器和磁控SVC综合补偿方案在抑制电气化铁道谐波、负荷无功补偿和负序平衡方面是可行的和有效的。有源滤波器不仅消除了负荷所产生的谐波而且还消除了磁控SVC所产生的谐波。