采用轻量化设计能够提高高速列车的牵引功率密度,在同等牵引功率下获得更高的加速度及运行速度,是高速列车的发展趋势。作为高速列车动力源泉的牵引传动系统是实现轻量化的关键,其主要采用无工频牵引变压器即电力电子变压器技术。电力电子变压器的前级通常采用级联H桥结构,而模型预测功率控制能显著提高被控对象的动静态性能,因此研究单相级联H桥整流器模型预测功率控制具有重要的理论意义和工程应用价值。首先,介绍了模型预测功率控制的国内外研究现状与单相级联H桥整流器拓扑结构和工作原理,在此基础上,建立有限集模型预测功率控制的数学模型,并详细阐述了模型预测功率控制算法的工作原理。其次,子模块直流侧负载不相等会导致单相级联H桥整流器直流侧电压不均衡,在直流侧电压不均衡产生原因分析的基础上,为实现直流侧电压均衡,有限集模型预测功率控制在选择合适的开关状态时存在过多的数学计算与逻辑判断以及循环次数的问题,给出了改进的电压均衡算法,以降低算法复杂度。为实现定频控制,引入基于最小功率误差的模型预测功率控制,采用基于调制比增量调节电压控制算法,当负载极大不平衡情况下,控制失效导致直流侧电压不能均衡,为此采用基于注入电压补偿分量的单极性载波相移调制算法,保证了在负载极大不平衡情况下直流侧电压依然均衡。随后,在实现电压均衡的基础上,为降低硬件成本与解决布线设计复杂的问题,研究了无网侧电压传感器,引入了虚拟磁链并建立了基于虚拟磁链的模型预测功率控制数学模型。在获取网侧电压虚拟磁链的过程中,基于一阶低通滤波器的磁链观测器观测的网侧电压虚拟磁链与实际磁链存在相位偏移和幅值衰减问题,提出了一种相位补偿的改进一阶低通滤波器磁链观测器,以保证网侧电压虚拟磁链的准确性。在整流器启动过程中,为保证观测到的网侧电压虚拟磁链与实际磁链一致,采用在不控阶段用网侧电流对磁链进行估计的算法,为进一步解决启动电流冲击问题,基于模型预测控制在评价函数中加入启动电流非线性方程,获得了较好的抑制效果。最后,为了验证所提的电压均衡改进算法以及基于相位补偿的改进一阶低通磁链观测器的有效性与正确性,本文在RT-LAB平台上搭建了单相级联H桥七电平整流器模型,构建了以DSP控制器为核心的控制算法,进行了硬件在环半实物实验,实验结果证明了所提算法的正确性和有效性。