我国电气化铁路牵引供电系统采用工频单相交流供电制式,存在以负序为主的电能质量问题,电分相导致的供电安全和列车速度损失等问题。这些问题限制了电气化铁路高速化、重载化的进一步发展。为有效解决上述问题,24k V直流电气化铁路作为一种可选方案被提出。本文主要研究24k V柔性直流牵引供电系统中模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）型直流牵引变电所（Traction Substation,TSS）的拓扑结构与控制策略、直流制电力机车牵引传动系统的拓扑结构与控制策略,以及并联运行的多个MMC型直流牵引变电所的协调控制策略。首先,本文给出了直流牵引变电所的拓扑结构,主要由降压变压器和MMC构成。通过分析MMC的数学模型、控制策略、调制策略、环流抑制策略、子模块均压算法等实现对直流牵引变电所的控制,并在Matlab/Simulink中搭建直流牵引变电所仿真模型。仿真结果表明牵引变电所在额定工况、负荷突变以及负荷再生制动等工况下均可以输出稳定的直流电压,环流抑制器可以有效抑制MMC内部环流,各子模块的电压可以稳定在其额定值附近。然后,分析了直流制电力机车牵引传动系统的拓扑结构与控制策略。参考现有多种机车的牵引传动系统结构,提出了一种由N个串联输入并联输出的双有源全桥（Dual Active Bridge,DAB）DC-DC变换器、牵引逆变器和牵引电机构成的机车牵引传动系统。对DAB变换器的拓扑结构、工作原理、控制策略以及N个串联输入并联输出的DAB变换器的控制策略进行研究。搭建电力机车仿真模型,仿真结果表明机车可以在牵引工况和再生制动工况下稳定运行。最后,提出了基于动态一致性算法（Dynamic Consensus Algorithm,DCA）的分层控制策略,实现系统中并联运行的多个直流牵引变电所的协调控制。建立系统的状态空间模型,通过根轨迹分析控制系统参数变化和机车移动情况下系统的稳定性。搭建24k V直流牵引供电系统仿真模型,仿真结果表明提出的分层控制策略在负荷移动、突变、牵引变电所故障、机车再生制动等情况下可实现各牵引变电所输出稳定的直流电压,并且根据其额定容量按比例分担牵引负荷的功率。分层控制策略使各个牵引变电所参与到牵引网电压调节,并实现各牵引变电所根据其额定容量按比例分担负荷功率,降低了牵引变电所对额定容量的需求,进而降低投资成本。除此之外,牵引变电所可以实现“即插即用”,使得系统具有更高的灵活性和可靠性。