四象限变流器是交流牵引传动系统的重要组成部分。鉴于传统的二极管不控整流或者晶闸管相控整流电路会对接触网造成严重的谐波污染，PWM整流器以其较低的谐波含量、可控功率因数以及能量可双向流动的优点，近年来在兆瓦级大功率交直交牵引变流装置中得到了广泛应用。针对不同工况和开关模态，分析了两电平四象限变流器的工作原理。引入开关函数，建立了四象限变流器的状态空间平均模型，并对四象限变流器的开环稳定性给出了证明。再对消除了时变量的状态空间平均模型施加小扰动，最终得到线性化的幅值-相位稳态模型以及小信号模型，并给出了元件参数的设计方法。从间接电流控制的原理出发，提出了一种有功-无功解耦模型。从电流动态响应的时域特征出发，提出了一种以无过渡过程为特点的间接电流控制技术，使电流得以从一个稳态直接过渡到另一个稳态，大大提高了间接电流控制的动态响应。电流响应特性与电感参数无关，从根本上克服了间接电流控制的参数敏感性缺陷，可以作为四象限变流器的备用控制方案，并可将该理论扩展到三相系统。提出了母线电压平方控制，实现了四象限变流器模型的大范围线性化。在电力机车的实际运行中，变流器交流侧阻感参数是随着接触网结构而变化的。为了优化四象限变流器的运行状态，分析了多绕组载波移相多重化并联系统的环流和谐波频谱，提出了一种基于有功-无功解耦模型的直接电流控制和环流抑制策略。通过引入有功电流和无功电流的幅值闭环，实现了网侧有功与无功功率的独立、准确控制，同时还可输出任意功率因数。针对四象限变流器直流母线电压二次脉动问题，提出了一种母线电压重复预测器。该预测器利用母线电压脉动的重复性，精确预测下一个开关周期内母线电压的平均值，再应用面积等效算法计算下一拍所需的脉冲宽度，并给出了变开关频率应用下的重复预测方法，对重复预测误差进行了分析。该方法可淘汰直流母线无源滤波环节中能量密度较低的谐振电感，有助于提高装置的功率密度和可靠性。