近年来,为适应我国经济发展需要,电气化铁路获得飞速发展,但电力机车是一种单相、非线性的大型动态用电负荷,给牵引供电系统的建设和运行带来巨大的挑战。电气化铁路存在电能质量和电分相两大问题,制约着高速重载电气化铁道的发展。模块化多电平换流器多端直流输电(modular multi-level converter multi-terminal direct current,MMC-MTDC)系统,能独立控制有功功率和无功功率,同时无需电网来提供无功功率和换相电压,能够实现多落点受电和多电源供电等优点,在新能源并网、孤岛供电等方面获得广泛应用。针对目前牵引供电系统的不足,本文结合我国牵引供电系统实际和多端直流输电的优势,提出了一种基于MMC-MTDC的牵引供电系统结构,该结构通过三相MMC将网侧三相交流电转化为直流电,然后经单相MMC将直流电逆变为单相交流电为牵引网提供电能,能够完全取消电分相,改善电能质量问题。本文研究的基于MMC-MTDC的牵引供电系统,关键在改善功率流的同时使额定电压接近额定值,为此本文主要开展的工作有以下几点:1)本文研究了MMC基本拓扑结构和工作原理,探讨了MMC子模块的三种工作状态,研究了MMC常用调制策略——最近电平逼近调制策略。根据MMC数学模型对换流器的内环控制器和外环控制器进行了设计,然后对向无源网络供电的外环控制器进行了说明,并通过仿真对控制方法进行了验证。最后,对单相MMC逆变器的结构及其双闭环控制策略进行了设计。2)提出两种单相MMC环流抑制策略。根据单相MMC的环流特性提出了一种基于微分平坦理论的单相MMC环流控制方法,该控制策略是建立在非线性的数学模型之上,能有效抑制内部电流中的二倍频环流量的波动,该方法与PI环流控制器相比无需精确的环流数学模型。当考虑换流器中多倍频偶次谐波环流量时,针对采用低通滤波器提取瞬时功率中的直流成分时效果差,相移滞后等问题,设计了基于二阶广义积分器(SOGI)的直流分量提取器,可以更快速有效的获取直流量,大大降低谐波分离的复杂性。3)牵引供电系统协调控制策略。针对牵引负荷波动强的问题,从桥臂瞬时功率和直流电压平方成正比关系出发,提出一种改进下垂控制策略,该策略引入了PI控制器,避免牵引负载发生变化时,整流站功率出现较大超调现象,该策略兼顾了稳定直流电压和改善功率流两个方面,在改善功率流的同时使直流侧电压接近额定值。