铁路运输作为重要的出行、货运方式,与国家战略和国民生活密切相关。随着我国“八纵八横”铁路网的规划,铁路牵引供电系统正朝着高速化、重载化方向发展。而目前,传统牵引供电系统中存在着负序、谐波、三相不平衡等主要问题,牵引变电所之间的电分相装置也制约了高速铁路的发展。随着学者对于电力电子技术和多电平技术的研究,基于三相-单相变换器的贯通式同相供电技术的出现,为解决上述问题带来了契机。由于模块化多电平变换器(MMC)的优良特性,为了充分利用其在大容量、大功率场合下的应用优势,将MMC应用于贯通式牵引供电系统中,还可以省去升压变压器和输出滤波装置,减小系统体积,节约成本。因此,本文针对基于MMC的贯通式牵引供电系统,研究了MMC的结构原理、调制方法及三相-单相变换器的控制策略。首先,对多电平变换器的种类和优缺点进行了比较说明。研究了MMC的拓扑结构和运行原理,并进行了建模分析。在其数学模型的基础上,分析了其四象限运行特性,同时研究了单相MMC的环流成分及相应的抑制策略。其次,重点研究了模块化多电平换流器的控制策略,包括MMC的调制策略和子模块电容电压控制策略。分析了各种调制策略的调制原理及优缺点,并研究了一种改进的最近电平调制策略,分析了其优越性和适用性。最后通过仿真加以验证。接着,对基于MMC的三相-单相变换器的拓扑结构和工作原理进行了研究,分别介绍了三相侧和单相侧的控制策略,在三相侧采用有功无功解耦的控制策略,在单相侧提出一种电压有效值控制策略。使系统在负载波动时,仍然可以输出相对稳定的电压值,保证电压质量,并通过仿真验证了控制策略的有效性。最后,通过Matlab/simulink搭建了MMC三相-单相变换器系统仿真模型。分析了各种情况下中间直流电压和单相交流输出电压的稳态、动态仿真结果,验证了系统的可行性与正确性。