近年来,国内外对贯通式同相牵引供电系统的研究日益增多,该系统可以取消既有电气化铁路中的所有电分相,解决了负序、谐波、无功等问题。加之宽禁带功率型电力电子器件在高压大功率场合应用越来越多,这为将来铁路系统全面应用多电平变换器构成的贯通式同相牵引供电系统提供了良好的发展契机。本文首先对国内外电气化铁路的牵引供电系统发展现状和存在的问题进行了分析,指出研究贯通式牵引供电系统的必要性和现实紧迫性。其次,深入分析、研究宽禁带功率型电力电子器件的发展现状,设计了基于级联型变换器的贯通式牵引供电系统结构。最后,本文从理论分析、仿真验证和硬件实验三个方面验证了该系统的可行性。为了研究贯通式牵引供电系统结构的可行性,本文分析了单相三电平NPC逆变器和级联型逆变器的工作原理,研究了两者的控制策略;分析了单相逆变器直流侧中点电位不平衡的原因并研究了平衡控制方法;结合多电平变换器调制技术的研究与发展现状,深入分析了载波移相调制、载波层叠调制和空间矢量调制技术。根据单相逆变器和级联型逆变器的结构特点,设计了单模块采用载波层叠调制策略和级联时模块间载波移相调制策略,并通过仿真和实验进行了验证。本文建立了贯通式牵引供电系统的牵引网等效电路,经研究选取牵引网简化等值电路模型来计算牵引网阻抗;为了验证贯通式牵引供电系统能否稳定运行,结合系统设计,建立了 3个牵引变电所-7辆电力机车运行工况的贯通式牵引供电系统,并利用改进的PQ分解法对牵引网潮流分布进行计算;潮流分析结果显示,牵引网最低电压仍能满足机车运行的最低条件。同时,分析了机车在不同位置时各个牵引变电所输出功率的关系,即机车负载距离变电所越近,变电所输出功率越大。本文以两个牵引变电所并联运行为例,对系统环流进行了分析,同时证明了系统自身具有下垂特性;分析了单个牵引变电所的并网原理,应用改进型下垂控制策略抑制了系统环流,实现了贯通式牵引供电系统牵引变电所的稳定运行,并通过仿真和实验进行了验证。本文搭建了单相三电平NPC逆变器、级联型逆变器、潮流计算模型、贯通式牵引供电系统牵引变电所并联运行的仿真模型,验证了本文的理论分析及所建立的系统结构、调制策略、控制策略的正确性;搭建了基于FPGA控制器的小功率实验平台,运用VerilogHDL语言编写程序,实验结果表明该系统具有良好的稳定性和可实施性,为贯通式牵引供电系统的工程应用奠定了基础。