同相供电系统是一种新型铁道牵引供电系统,基于三相-单相变换器的贯通式同相供电系统可彻底解决现有系统的供电不平衡问题、机车过分相问题、功率因数低和三相不平衡等电能质量问题而受到广泛关注和深入研究。由于电力电子级联多电平技术日益成熟并可解决系统的容量和接口电压等问题,本文将基于模块化多电平变换器(MMC)结构的三相-单相变换器用于贯通式同相供电系统,着重研究了MMC电路特性及三相侧和单相侧变换器的并网控制策略。首先,研究了MMC子模块工作原理并建立其单桥臂的数学模型。在此基础上讨论了MMC的四象限运行原理,分析了单相环流成分及其抑制策略,研究了子模块电容电压的谐波含量,最后通过仿真对以上分析加以验证。其次,分析了基于MMC结构的三相五电平PWM变换器的拓扑结构和工作原理,结合其端口电压在dq坐标下数学模型而采用基于Id/Iq的三相有功无功解耦控制策略；研究了基于MMC结构的单相全桥五电平PWM变换器的拓扑结构和工作原理,改进了dq坐标系下有功无功交叉解耦控制,使之能够输出频率、相位和幅值可控的电压并且能够向牵引网传递无功功率；研究了MMC的子模块电容电压均衡与稳定控制策略以及MMC的调制策略。接着,在Matlab/simulink仿真平台搭建了三相PWM整流器、单相全桥PWM整流器及三相-单相变换器系统仿真模型,分析了其在各类工况下直流侧电压和交流侧电压电流的稳态和动态仿真结果,验证了三相-单相PWM变换器并网控制的正确性。最后,在仿真验证的基础上搭建了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)控制平台的三相-单相变换器的小功率实验系统,分别完成了三相PWM整流实验、单相PWM整流实验及三相-单相并网运行实验。实验验证了三相整流器的稳压及功率因数控制,单相PWM整流器并网电压控制及无功功率控制以及验证了三相-单相变换器系统并网运行的可行性。