通常情况下向牵引负荷供电的功能主要由牵引变压器完成，而平衡三相、补偿谐波和无功的功能主要由平衡补偿装置来完成，二者可以相互独立，也可以相互依赖。根据牵引变压器与平衡补偿装置的相互关系可以分为独立式（并联式）、一体式（串联式）和嵌入式（混合式）三种同相牵引供电系统。
1．独立式（并联式）
独立式同相供电牵引变电所中的平衡补偿装置是并联在系统中的，牵引变压器与平衡补偿装置结构上是完全分离、相互独立的，如图2.2所示。由于平衡补偿装置与牵引变压器是并联关系，所以也称为并联式同相牵引供电系统。平衡补偿装置不依赖牵引变压器而独立工作，可以独立承担平衡和补偿的任务，根据情况也可以承担供电任务。独立式根据平衡补偿装置与系统的连接关系又可以分为：单边式和双边式。
图2.2 独立式同相牵引变电所
1）单边式和双边式的结构
独立单边式同相牵引供电系统的特点是平衡补偿装置仅连接在110 kV电压等级下（若连接在27.5 kV侧，就变成了下面讨论的嵌入式结构），如图2.2（a）所示。平衡补偿变压器通常采用三相变压器，牵引变压器可以是单相也可以是其他形式的变压器。平衡补偿装置的结构如图2.3（a）所示，其中：①为连接110 kV平衡补偿变压器；②为变流器；③为直流侧电容器。
独立双边式同相牵引供电的特点是平衡补偿装置跨接在110 kV和27.5 kV之间，如图2.2（b）所示。双边式平衡补偿装置的结构如图2.3（b）所示，其中：①为连接110 kV平衡补偿变压器；②为高压侧变流器；③为直流侧电容器；④为牵引侧变流器；⑤为连接27.5 kV的匹配变压器。
图2.4为独立式同相AT牵引变电所，其中（a）为单边式结构，（b）为双边式结构。由图2.4可见，独立式牵引变电所的结构受牵引网供电方式的影响不大。独立式AT牵引变电所与独立式非AT牵引变电所结构基本相同，唯一差别是AT式连接27.5 kV的单相变压器有中间抽头，这是独立式结构的特点。
图2.3 独立式平衡补偿装置的结构
图2.4 独立式同相AT牵引变电所
对于独立双边式牵引变电所，为了达到最佳效果，牵引变压器与平衡补偿变压器（接110 kV侧的变压器）要相互匹配[41]。根据“Scott效应”，当电压相位相差90° 的两个端口上，分别接大小相等、功率因数角相同的负荷，则二者在系统中所产生的负序电流必然反向共线，相互抵消。在同相供电中，只有一个端口接负荷，但是只要负荷的端口（负荷端口）电压与平衡补偿变压器的端口（补偿端口）电压相差90°，则同样具有“Scott效应”。如果牵引变压器和平衡补偿变压器一个为三相，另一个为单相，且两个端口电压相别分别为A、BC，或B、CA，或C、AB，则负荷端口和补偿端口电压相差90°，具备“Scott效应”条件，控制两个端口承担相等的负荷容量，则可以完全消除负序电流。所以从削弱负序角度考虑，单相接线变压器与YN，d11接线变压器是相互匹配的。
Scott接线变压器以及由两台单相变压器连接而成的Scott接线，次边两个端口电压相差90°，具有“Scott效应”。但是补偿与供电两个功能不再相互独立，因此，把Scott接线变压器以及由两台单相变压器连接而成Scott接线构成的同相牵引供电系统，归入后边将要介绍的嵌入式类型。
2）单边式和双边式的比较
单边式平衡补偿装置与27.5 kV没有连接关系，因此不需要考虑连接27.5 kV的匹配变压器和变流器，与双边式相比省了图2.3（b）所示的④、⑤部分器件和设备，尤其是节省了连接27.5 kV的价格昂贵的匹配变压器；但牵引变压器需要承担全部负荷容量，而平衡补偿装置要承担全部的补偿容量。由于补偿装置装设在高压侧，牵引变压器工作在不对称状态，容量利用率不高，与在牵引侧实施补偿的嵌入式相比没有优势，所以实际中较少采用。
双边式牵引变压器与平衡补偿装置各承担一半负荷，可以完全消除负序，无功功率可由交直交变流器逆变器进行补偿；补偿变压器或牵引变压器总有一个为三相变压器，且只用一个端口，变压器三相绕组将长期工作在不平衡的状态，容量不能得到充分利用。因此，其实际容量必须按照负荷容量的一半选择，与单边式相比需要增加连接27.5 kV的匹配变压器和变流器［如图2.3（b）中④、⑤部分所示］，以及相应的控制系统。
2．一体式（串联式）
平衡补偿装置完全串联在系统中，所以也可称其为串联式同相牵引供电系统，一般是串联在牵引变压器次边，牵引变压器和平衡补偿装置融为一体不可分割，共同完成供电和补偿的任务，如图2.5所示，其中：①为110 kV侧变压器，它既是供电变压器也是平衡补偿变压器；②为交直交变流器；③为连接27.5 kV匹配变压器。如果移走任何一部分，无论是供电还是补偿，任何一项任务都无法完成。当前德国、瑞典等国家就采用了这种同相供电类型。一体式交直交变流器一般由三相整流器和单相逆变器构成，如图2.6所示，其中①为三相整流器，②为单相逆变器。通过三相整流器将三相交流电变为直流电，再由单相逆变器将直流电变为单相交流电。
图2.5 一体式同相牵引变电所
图2.6 一体式交直交变流器(www.xing528.com)
3．嵌入式（混联式）
平衡补偿装置嵌入在牵引变压器与牵引网之间，如图2.7所示。牵引变压器的ac端口接供电臂向负荷供电，称为负荷端口；牵引变压器另一个端口bc端口接平衡补偿装置，称为补偿端口。平衡补偿装置的a、b、c端子分别接牵引变压器a、b、c端子。为了实现三相平衡，除了ac负荷端口向负荷供出一半负荷功率之外，bc补偿端口也必须通过平衡补偿装置向牵引负荷传递另一半负荷功率。功率的流向是由牵引变压器bc端口通过平衡补偿装置经ac端口流向牵引负荷。所以从负荷来看平衡补偿装置是并接在负荷端口上的，但从功率流向看，平衡补偿装置又是串接在牵引变压器的补偿端口上。可见平衡补偿装置与系统的连接方式，既有并联又有串联的特征，所以也可称为混联式同相牵引供电系统。平衡补偿装置不能独立于牵引变压器之外正常运行，需要依赖牵引变压器完成平衡和补偿的任务。由于平衡补偿装置并联在负荷端口上，所以移走平衡补偿装置会影响供电的质量，但并不影响系统向牵引负荷的供电；若移走牵引变压器，则平衡补偿装置也就不能正常运行了。平衡补偿装置由三相逆变器和匹配变压器构成，如图2.8所示，其中①为三相逆变器，②为匹配变压器。
图2.7 嵌入式同相牵引变电所
图2.8 嵌入式平衡补偿装置
如果牵引主变压器是单相变压器，就无法实现三相平衡补偿，所以嵌入式同相牵引供电系统的牵引变压器一定是三相变压器，视具体情况可采用YN，d11接变压器，也可采用三相平衡变压器以及具备三相供电功能的各种接线形式的变压器。
4．独立式、嵌入式和一体式的优缺点
（1）技术性。三者都能达到向负荷供电和补偿谐波、无功和负序的要求。独立双边式是在110 kV（220 kV）侧对负序进行补偿，为达到“Scott效应”三相变压器只有一个端口接负荷，工作在不对称状态，三相变压器容量利用率低，只能达到额定容量的50%；一体式和嵌入式是在牵引侧实施补偿，变压器完全工作在对称状态，且只承担有功功率，容量利用率高。一体式通过对交直交变流器的控制来调节各区段牵引网的电压为同频率、同相位和同大小，可以实现全线贯通供电；而独立式和嵌入式不具有这一功能，牵引网电压会因为不同区段电网或电厂供电电压不同而不同，能不能实现全区段贯通式供电，视各区段牵引网电压而定。贯通式供电可以降低牵引网电压损失和线路损耗，提高供电的可靠性和经济性，所以，与独立式和嵌入式相比，一体式在技术性能上更为优越。
（2）可靠性。独立式和嵌入式平衡补偿装置是并接在负荷端口上的，平衡补偿装置故障并不影响系统向牵引负荷正常供电，供电的可靠性高。一体式的补偿装置是完全串接在向负荷供电的回路中，交直交变流器的故障，将会中断系统向牵引负荷的正常供电。所以一体式供电可靠性依赖于电力电子器件的可靠性和发展水平。随着电力电子器件的飞速发展，交直交变流器的可靠性也会大幅度提高。德国、瑞典等国家经半个多世纪运行考验也证实一体式可靠性能够满足电气化铁路实际运行的要求。由于我国高速铁路牵引负荷容量很大，而且电气化铁道采用公用电网供电，没有独立的电厂和专用电网，同时受电力电子器件发展和应用水平限制，一体式同相供电模式还需要相当时间的研究和实践。加之我国已经采用了工频单相交流制异相供电模式，完全改造成一体式同相供电模式成本太大，在此基础上改造成嵌入式和独立双边式同相供电模式更为合理。
（3）经济性。经济性主要取决于变流器、主变压器和匹配变压器的数量、电压等级和容量大小，这与牵引变压器类型、平衡补偿装置的结构有关，尤其受电力电子器件的发展水平影响较大。平衡补偿装置中的变流器主电路由电力电子功率开关管构成，加上冷却与控制系统，以及直流稳压电容和滤波等辅助系统，总造价最高；其次平衡补偿装置还需要匹配变压器与系统连接，由于牵引系统补偿容量较大，所以匹配变压器造价也相当可观。为了简化分析，便于比较，假设同容量变流器无论单相还是三相结构造价相同，并假定牵引负荷功率因数为1，总功率为P，则独立式、一体式和嵌入式三种类型变电所，主要设备需求及其容量关系，可以分有无匹配变压两种情况讨论。
当前器件的耐压水平和容量有限，平衡补偿装置必须经匹配变压器与系统连接时。根据图2.2（b）和图2.3（b）可知，独立双边式需要一台牵引主变压器（单相），一台三相补偿变压器和一台单相匹配变压器，共需三台变压器；为了实现“Scott效应”，牵引主变压器和平衡补偿装置各承担一半负荷容量，所以交直交变流器的单相整流器和单相逆变器以及27.5 kV单相匹配变压器实际容量应按照一半负荷容量选择，而三相补偿变压器由于仅用一个端口，容量利用率只能达到50%。为了能够承担一半负荷容量，补偿变压器实际容量必须按满负荷容量选择，所以独立式设备容量关系为
根据图2.5可知，一体式需要一台三相牵引主变压器和一台匹配变压器，共需两台变压器；交直交变流器由三相整流器和单相逆变器构成。所以一体式设备容量关系为
一体式总容量＝1P（三相变压器）＋1P（单相变压器）＋2×1P（变流器）
根据图2.7可知，嵌入式需要一台三相变压器和一台三相匹配变压器，共两台变压器；补偿用的变流器为三相逆变器。所以嵌入式设备容量关系为
嵌入式总容量＝2×1P（三相变压器）＋1P（三相变流器）
当电力电子器件耐压高、容量大，不需要匹配变压器时，并假定变流器连接系统的匹配变压器都可省去，这时独立双边式补偿装置可省去匹配变压器。为了实现“Scott效应”，三相补偿变压器不可或缺；一体式可省去牵引侧单相变压器；嵌入式可省去一台匹配变压器。所以总容量关系为
独立式总容量＝1P（三相变压器）＋0.5P（单相变压器）＋1P（变流器）
一体式总容量＝1P（三相变压器）＋2P（变流器）
嵌入式总容量＝1P（三相变压器）＋1P（变流器）
综合来看，一体式成本最高，独立式次之，嵌入式成本最低。
当今电力电子器件发展水平突飞猛进，高电压、大容量、模块化技术不断完善，MMC技术逐步成熟，取消匹配变压器已经成为一种趋势。所以，无论有无匹配变压器，嵌入式都具有较大优势，尤其是对于我国既有线路改造嵌入式最有发展前景。
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