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我国已成为世界上高速铁路里程最长、年均客流量最大的国家,2017年客流量已达15亿人次。巨大的客流量使得我国高速铁路系统具有运行功率大,行车密度高,站点密集的特点。这些特点使高速电动车组中的牵引变流器运行工况异常复杂,具有功率大、开关频率低、负荷波动频繁、牵引网电压畸变、幅值波动剧烈等。网侧牵引变流器恶劣的运行工况对其控制系统设计提出了很高的要求。因此,本文为提高网侧牵引变流器的动态性能和稳态控制精度,对单相二极管钳位(neutral-point clamped,NPC)型三电平整流器的直接功率控制(direct power control,DPC)、模型预测控制(model predictive control,MPC)进行了详细研究。为实现单相整流器DPC,需要对有功功率和无功功率进行计算。单相功率计算需要重构网侧电压与网侧电流矢量的正交分量。因此,为提高功率计算的动态性能,在分析网侧牵引变流器功率前馈解耦控制算法的基础上,给出了基于虚轴反馈的网侧电流矢量正交重构算法。为抑制网侧电压畸变对基波功率计算的影响,提出了改进二阶广义积分算法(second order generated integral,SOGI)。结合此改进SOGI算法与网侧电流矢量正交重构算法,提出了高动态响应速度的单相系统功率观测器,并对该观测器的参数敏感性进行了详细分析。为实现对单相整流器有功功率和无功功率的直接控制,并降低控制系统对网侧电压相位检测的依赖,本文提出了无锁相环DPC算法。在旋转坐标系下,给出了单相系统功率的计算方法,避免对网侧电压与电流矢量正交分量的重构。为实现无锁相环情况下的旋转坐标变换,提出了网侧电压频率补偿算法,并分析了该频率补偿算法存在的网侧电压同步误差问题,给出了相应的相位补偿方案,提高了旋转坐标变换的精度。基于比例积分(proportional integral,PI)控制器的功率前馈解耦算法动态响应速度慢,参数调优难度大,限制了牵引变流器的动态性能。因此,本文提出了单相NPC三电平整流器连续控制集(continuous control set,CCS)MPC算法。参考脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)策略,预先定义了单相NPC三电平整流器开关序列,通过优化有功和无功功率的评价函数并兼顾中性电位平衡控制,求取不同开关序列中电压矢量的最优持续时间,实现了定频模型预测直接功率控制(model predictive direct power control,MP-DPC)。同时,通过分析开关序列作用规律,对开关序列选择方法进行了优化。通过电压矢量作用时间的取值选取最优开关序列,减少了在线评估评价函数的次数。牵引逆变器-电机系统频繁起停引起的整流器直流侧电压波动以及电路参数不一致等因素导致直流侧等效负载不对称,造成了中性点电位平衡控制和交流侧电流控制相互耦合。为实现交直流解耦控制,本文通过分析不同开关状态对交流电流的作用规律和对直流电压平衡状态的影响,提出了负载不对称情况下的模型预测电流控制(model predictive direct current control,MP-DCC)策略并分析了该算法的最优运行范围。为避免在线优化评价函数,通过分析不同开关序列中电压矢量作用时间的内在联系,给出了低复杂度的电压矢量作用时间求解方法。由于牵引变流器开关频率低,增加了功率预测的时间长度,降低了MPC算法功率预测的精度,恶化了控制性能。对此,本文根据单相整流器功率模型的解析解,提出了旋转坐标系下的高精度功率预测模型。基于此模型,通过优化有功和无功功率的评价函数,直接求取旋转坐标系下坐标分量的最优解,并通过具备伏秒补偿能力的旋转坐标变换,实现调制波的优化求解,进而结合PWM策略,实现了基于调制的模型预测直接功率控制(modulated model predictive direct power control,M~2P-DPC),并对此算法的电感参数敏感性进行了分析。最后,建立了半实物实验测试平台和小功率实验测试平台,对上述控制算法进行了逐一测试,以验证算法理论的有效性和正确性。