随着经济社会发展,我国大中城市交通拥堵和环境污染日趋严重,对城市居民的生活质量造成了巨大的影响,发展地铁、轻轨等城市轨道交通已经成为缓解该问题的有效措施。地铁列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等特点,目前城轨再生制动能量处理方式大部分是通过制动电阻消耗掉,能量浪费严重,所以提升再生制动能量利用率对轨道交通节能运行意义重大。使用双向变电站方案,即用四象限PWM变流器代替普通二十四脉波整流器,可将再生制动能量逆变回电网,且四象限变流器还有输出电压可控的特性。但是目前双向变电站使用的都是恒压或者准恒压控制,其输出电压可控的优点并未得到充分挖掘。本文研究了用于双向变电站的三电平四象限变流器及其并联运行的控制方法,并针对应用双向变电站的地铁线路,提出一种根据列车功率和位置来实时改变变电站输出外特性斜率的控制方法,该方法能够提高列车之间的功率交互性能,减少变电站逆变回电网的电能。首先,本文介绍了三电平四象限变流器的工作原理,重点研究了锁相环控制问题和NPC三电平四象限变流器的中电电位平衡问题。控制方案在2MW实验平台和自行研制的三电平50k W实验平台上完成了实验验证。其次,本文研究了用于地铁双向变电站的四象限变流器并联控制方法。在外特性控制层,讨论了下垂控制方法的原理,将基于平均电流补偿的下垂控制方法应用于变流器并联当中。在PWM调制层,采用载波移相技术降低电流谐波,并在两套50k W变流器组成的并联实验平台上进行了验证。最后,本文根据实际线路的数据建立了地铁直流牵引供电仿真模型,使用K-mean聚类方法对列车的实际工况进行分类,提出了近区交互功率和远区交互功率的概念,研究了近、远区交互功率和变电站电压下垂斜率的关系。在此基础上,提出了一种模糊控制策略,根据列车功率和位置实时改变变电站输出外特性的斜率。全线路的仿真计算表明,该方法达到了提高列车间的交互功率同时限制牵引网电压波动范围的效果。