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随着我国电气化铁路向着高速、重载的方向发展,牵引供电系统中以负序为主的电能质量问题以及线路中存在的过电分相问题日益突出,同相供电技术的发展很好的解决了这些问题。而单三相组合方式的同相供电技术使得在符合电能质量相关指标的要求下,有效的减少了补偿装置所需要的容量,特别是其在对既有线路的改造方面具有不可替代的优势。模块化多电平(Modular multilevel converter,MMC)技术在大容量的变流器中有着很强的应用前景,MMC变流器可以直挂于牵引母线,省去了牵引匹配变压器,降低了投资成本。双星型模块化多电平变流器(Double star multilevel converter,DSMC)是在既有MMC结构的基础上提出的一种新拓扑,将其应用于单三相组合方式的同相供电系统之中,在不降低补偿能力的前提下,更大程度的减少了变流器元器件的数量,减小了同相补偿装置的体积,降低了铁路建设投资的成本。本文研究的是基于双星型多电平结构变流器的单三相组合式同相供电系统。本文首先通过分析对比组合方式的同相供电系统的结构及变压器绕组容量利用率,比较单相组合方式和单三相组合方式两种供电系统的结构及特点。研究单三相组合方式的同相供电系统的平衡条件,将电能质量国际标准作为约束条件,给出单三相组合方式的同相供电系统满意优化补偿算法。通过组建基于MMC拓扑结构的组合方式的同相供电系统,比较分析不同结构的MMC变流器在电容电压、控制策略、工作原理、子模块数量等方面的差异,对DSMC变流器拓扑进行详细分析,研究其等效模型、平衡变换原理以及功率特性。将改进以后的载波移相调制策略与补偿电流的控制策略相结合,设计出适合于DSMC变流器结构的上层补偿电流控制、下层功率模块投入切除控制的分层控制策略。利用MATLAB/simulink仿真平台搭建本文提出的拓扑模型,模拟基于DSMC的单三相组合方式的同相供电系统在投入同相供电装置前后的变化,仿真验证了所搭建系统的正确性和分层控制策略的有效性,为实际应用提供理论支撑。