我国近几年的高铁以及动车都在向轻量化、高速化发展,对机车而言,牵引变压器作为机车上的核心部件正扮演着越来越重要的作用,也将会迎来新的改变。如今,电力电子牵引变压器正在逐步取代传统自耦变压器。电力电子牵引变压器将高频变压器与电力电子器件有机地结合在一起,不仅能够减轻机车重量,而且也能降低能量损耗,同时减少在机车上所占用的空间,还可以实现能量的双向流动、电气隔离、谐波治理等功能。这就为现代轨道交通行业向高速化发展提供了有利条件。电力电子牵引变压器的拓扑结构分为输入级、隔离级、输出级三个部分。高压输入级主要对电能进行控制与变换,中间隔离级主要对两端电压进行有效隔离与电压变换,低压输出级为电力机车提供所需电压与功率。通过对各级拓扑结构的分析与研究,选出本文采用的拓扑结构。本文所做主要工作如下:首先,阐述现有的几种主要电力电子变压器拓扑结构形式,在分析其工作原理及特点的基础上,确定了由高压输入级MMC整流器、中间隔离级DC-DC变换器以及低压输出级DC-AC逆变器三部分组成的AC-DC-AC型电力电子牵引变压器拓扑结构。然后,对输入级采用传统H桥的拓扑结构与采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)的拓扑结构进行了详细对比分析,得出MMC拓扑结构相比于传统H桥拓扑结构有其优势所在。通过对瞬时有功、无功功率的计算,研究了单相无锁相环的直接功率控制器。其次,对传统双向H桥级联DC-DC变换器拓扑结构工作原理的分析,给出了简化的半桥级联DC-DC变换器拓扑结构,建立其数学模型,并进行了仿真验证。再次,对低压输出级选取传统三相三线制拓扑结构,建立其数学模型,用SVPWM控制策略取代传统的SPWM控制策略。通过仿真,验证了输出级逆变器具有良好的控制效果。最后,在确定了电力电子牵引变压器整体拓扑结构的基础上,建立了应用到轨道交通的单相MMC电力电子牵引变压器仿真模型,并对牵引、负载突变、再生制动三种工况进行仿真分析与验证。仿真结果表明,基于MMC的电力电子牵引变压器具有良好的有功和无功的控制能力,可实现单位功率因数运行;输出电压、电流幅值及波形可满足机车用电要求,输出功率及电机转速可达到现有机车水平;输入电流畸变率小,直流侧电压纹波系数小,有利于整个牵引系统的稳定运行。