既有电气化铁路牵引供电系统存在电分相和以负序、无功、谐波为主的电能质量问题,制约了我国高速铁路和重载铁路的发展。同相供电技术的应用可以改善牵引供电系统电能质量,减少电分相。与现有的同相补偿装置相比,采用模块化多电平变流器(MMC)的同相补偿装置易实现高压大功率,可直挂于牵引母线,省去牵引匹配变压器,减小同相补偿装置体积,降低成本。因此,本文针对基于MMC的同相供电系统关键技术和测试实验平台开展研究。基于MMC的组合式同相供电系统结构和同相补偿原理研究。从工程实际出发,对比了两桥臂和四桥臂MMC交直交变流器结构。四桥臂结构最小直流电压只需两桥臂结构一半左右,直流侧不需要支撑电容,相比两桥臂具有优势。MMC拓扑结构和工作原理研究。研究了MMC背靠背变流器环流特性。其中,有功环流分量和无功环流分量与系统传输功率有关,无法通过控制方法消除；电容均压环流分量和相间环流分量都因电容电压不均衡产生,可以采取控制策略进行抑制。MMC变流器调制方式和控制策略研究。采用子模块电容平衡控制策略和基于PR调节器的环流抑制策略,对环流进行控制,并通过仿真验证控制策略的有效性。采用将有功、无功、谐波分离的方法,实时检测补偿指令电流。设计了适合于MMC同相补偿装置的载波移相脉宽调制方式(CPS-SPWM)和瞬态电流控制策略。MMC同相供电系统仿真。根据课题同相供电实验平台技术要求,计算了MMC变流器主电路器件参数。并在MATLAB/simulink仿真平台下建立了同相供电牵引变电所仿真模型,分别对交直交型电力机车的牵引、负载突变、再生制动工况以及含无功、谐波的交直型机车的同相牵引供电系统进行了仿真,验证了参数选取的正确性和控制方法的有效性。MMC同相供电测试实验平台设计。本文设计了可以实现能量互馈的同相供电实验平台,并设计了实验平台三级控制的硬件部分,研究了信号检测和通信传输内容。设计了适用于MMC悬浮子模块的隔离供电电源。设计了一种自励方式的子模块电容预充电方法,通过仿真验证了预充电方案的可行性。通过仿真验证能量互馈的实现。