铁路运输承担着重要的客运和货运任务,在交通运输行业占据着举足轻重的地位。电气化铁路具有行驶速度快、运输能力强、运营成本低、乘坐安全舒适等优势,在世界各地快速发展。然而电气化铁路也存在一些不容忽视的问题:一方面,由于电力机车是大功率的单相非线性负载,给公共电力系统带来了无功、谐波和负序等一系列电能质量问题;另一方面,电气化铁路供电系统自身存在的电分相使电力机车的速度和牵引力遭受损失,不利于电气化铁路向高速化、重载化发展。对于电气化铁路供电系统存在的问题,贯通式同相供电是一种理想的综合解决方案。本文首先分析了现有同相供电理论的原理及其存在的问题,结合电气化铁路的发展现状,提出了一种基于不控整流和单相PWM逆变的同相供电系统方案,介绍了其系统结构和运行原理。该方案的三相整流侧采用结构简单、性能好、费用低、可靠性较高的不控整流电路,与基于高频开关的PWM整流器相比,该方案能够大幅度降低开关损耗和控制复杂程度;对于单相逆变侧,分析对比了几种常用的调制策略,并选用算法简单、易于实现的CPS-PWM调制方式,配合电压有效值和瞬时值双闭环控制策略对单相PWM逆变器的输出电压进行控制,仿真结果验证了该方案在电气化铁路供电系统中的正确性和适用性。其次针对CPS-PWM逆变器存在的开关损耗大、控制方式复杂、可靠性低的缺点,进一步提出了基于不控整流和阶梯波合成逆变的同相供电系统方案,重点阐述了三种阶梯波合成和输出电压调制策略。阶梯波合成调制方式能够降低逆变侧的开关损耗,提高运行效率。在MATLAB/SIMULINK平台上建立系统模型并进行仿真,结果表明该方案能够为电力机车提供高质量的稳定电压,其幅值、频率和相位完全可控,有利于实现贯通式同相供电。最后综合评价了两种基于不控整流和H桥级联逆变的三相-单相供电方案,分析其存在的问题及相应的对策;解释了本文所提方案顺应电气化铁路发展趋势的原因,指出其在贯通式同相供电中的适用性。