同相供电系统主要针对现有的牵引供电系统进行改造,解决传统牵引变电所无功、谐波、负序等电能质量等问题,同时使得电分相数目减半,但无法实现牵引网的全线贯通。贯通式同相供电系统在同相供电的基础上,能够取消变电所间的电分相,实现全线贯通。目前研究的贯通式同相供电系统方案利用电力电子器件取代牵引变压器,大多采用三相-单相变换器的拓扑结构。这种拓扑结构的贯通式同相系统一般适用于新线建设。本文提出了一种针对现有牵引变电所改造的贯通式同相供电系统方案。因牵引变压器大多是将电力系统的三相电变为铁路牵引系统所需的两相电。因此,利用现有牵引变压器,设计了一种基于三电平两相-单相变换器的贯通式同相供电系统。首先,对于所设计的贯通式同相供电系统方案进行了基本模型的介绍及对所采用的两相-单相PWM变换器拓扑进行了简单的分析。详细研究了三电平单相PWM整流器的拓扑结构、数学模型和控制策略。其中,单相PWM整流器采用了瞬态电流控制,使得整流器工作在单位功率因数;因系统不仅需要实现有功能量的传递,同时还需要补偿机车负载的无功能量,故牵引网侧变换器本文采用了单相dq解耦控制策略,实现功率因数可调。其次,介绍了常见的牵引变压器的类型和接线形式,并对本文采用的YNvd牵引变压器进行了详细的电气分析。只要保证变压器副边电流相等且分别工作在单位功率因数,则有三相电网电流平衡。同时,研究了基于单相整流器并联的主从均流控制策略。仿真和实验分别搭建了基于瞬态电流控制的单相整流器、基于单相dq解耦控制的单相整流器、单相整流器并联及两相-单相变换器仿真模型或实验硬件平台。仿真结果和实验结果均验证了瞬态电流控制、单相dq解耦控制和主从均流控制策略的有效性和正确性。同时仿真结果和实验结果验证了该系统具有有功能量双向传输的能力,能够补偿系统的无功能量,三相电网始终工作在单位功率因数。