我国现行的电气化铁路牵引供电系统采用的是单相工频供电方式,会对电力系统造成三相负载不平衡、无功、谐波污染问题,此外牵引网电分相的存在制约着重载和高速铁路的发展。虽然采取了一些解决问题的方法,但取得的效果有限。随着电力电子技术的飞跃发展,以及新型电力电子设备的广泛应用,产生了以平衡变换装置为关键设备的同相牵引供电系统,消除了牵引供电系统对电力系统产生的影响。目前我国电气化铁路牵引变压器应用最为广泛的是YN,d11接线变压器,因此本文设计了基于YN,d11牵引变压器的同相供电系统。随着高速重载铁路的发展,同相供电系统需要大容量的平衡补偿装置。本文在对比几种高压大功率电路实现方案后,设计了以两电平四重化变流器和三电平变流器为主电路的平衡补偿装置。并且对比分析了两种综合补偿指令电流生成方法,研究了两种补偿方案的控制方法,并针对三电平变流器存在直流侧电容电压不均衡的问题,提出了相应的控制方法。以某牵引变电所实测数据为电气参数,利用MATLAB/Simulink中的电力系统仿真元件库对两种补偿方案进行建模和仿真研究。仿真结果显示了多重化结构和多电平结构的优点,表明本文给出的同相供电系统结构、综合补偿电流的检测方法以及所提出的大容量平衡补偿装置控制策略是可以实现的。