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我国牵引供电系统目前采用的是单相工频交流供电模式,需要通过牵引变压器将三相交流电转换为两路单相电后分别为左右供电臂供电,这是一种不对称的供电模式,主要存在着电能质量和电分相两大问题,约束着高速重载电气化铁道的发展。随着电力电子技术的发展,利用变流技术来解决传统牵引供电系统所存在的问题成为一种可能。基于电压源换流器(voltage source converter,VSC)的高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)技术自提出以来,凭借其技术优势一直得到了学术界和工业领域的高度关注,特别是近年来随着对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的深入研究。为了克服现行牵引供电系统所存在的不利因素,本文将VSC-HVDC技术应用到牵引供电中,提出一种基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统,利用三相MMC将公用电网的三相交流电整流成直流,单相H桥型MMC(Single-phase H-bridge MMC,SPH-MMC)变流器将直流电转换成单相交流电输送至牵引网。利用变流器构建的新型牵引供电系统中接触网内的电压相位、频率和幅值一致,因此不存在三相平衡和电分相问题,同时可以利用控制变流器补偿牵引网的无功功率和机车负载引起的谐波问题。针对所提出适用于牵引供电系统的MMC-MTDC系统,本文基于MTDC的角度从MMC换流阀运行原理、换流站控制策略、系统协调控制的三个方面出发,构建了基于MMC-MTDC的新型牵引牵引供电系统初步模型,主要做了以下几个方面的研究:1)研究了MMC的基本工作原理和数学模型。首先探讨了现行MMC三种不同的子模块拓扑结构的工作特性,建立了MMC的相关数学模型;其次针对MMC的两种调制策略展开相应研究,从数学角度推导出理想状况下在奇偶子模块个数和上、下载波相位差取不同值时,CPS-PWM调制策略下MMC的输出电压波形质量将有所不同;再次,针对MMC电容电压波动和环流分析做了定量分析,设计多种电容电压均衡控制器和环流抑制控制器;最后,提出了应用于新型牵引供电系统牵引网侧的单相H桥MMC变流器。2)提出了多种MMC换流站级控制策略。首先,研究了电网电压不平衡时MMC在不同控制目标下电容电压、环流等内特性,以及直流侧相关特性;其次针对电网电压不平衡时提出了两种控制策略,一无需电流正、负序分离的直接功率补偿策略,二是比例-降阶谐振控制策略;再次,将非线性控制理论中微分平坦理论引入至MMC中,设计了一种可同时适用于电网电压平衡和不平衡两种工况的功率平坦控制器;最后,设计了SPH-MMC向牵引网络供电的双闭环控制策略和直接功率控制策略。3)构建了基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统,研究了新型牵引供电系统直流侧协调控制相关问题。一是研究了新型牵引供电系统直流端二倍频波动问题,分析指出对于SPH-MMC由于环流的存在必定造成直流侧二倍频波动,但只需抑制环流即可将SPH-MMC所引起的二倍频波动问题隔离到单站内;针对电网电压不平衡时工作于定直流电压模式的三相MMC所引起的直流侧二倍频问题设计了一种无需锁相环的控制策略和二倍频电压补偿策略;二是研究了多端直流输电系统中的直流电压协调控制策略,从而寻求一种适用于新型MTDC的直流电压协调控制策略,最后搭建了一个五端基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统仿真模型,通过仿真验证所提出的新型牵引供电拓扑结构能够克服传统供电方案所存在的相关问题。