单相工频交流供电以其自身的实用性、优越性和可持续性等优点成为我国电气化铁路主要供电方式,但是单相机车负荷本身固有的单相性、非线性和随机波动性等特点造成牵引供电系统中存在负序、谐波、无功等多方面电能质量问题。铁路功率调节器作为一种新型的能量融通型装置被日本学者提出实现对电气化铁路电能质量的治理,具有动态性和灵活性强等特点,能够有效地解决牵引供电系统中电能质量问题。然而,由于目前的铁路功率调节器整体电压等级和补偿容量不够,需配置大量中间匹配变压器以及将同种变流器多重化来使铁路功率调节器满足大容量补偿要求,无直挂型变流器。匹配变压器通常为降压型变压器,通过降低电压来达到电力电子装置额定电压等级,但是升高了二次侧的电流,增加了电力电子器件工作时的动静态损耗,同时庞大的降压变压器等辅助设施造成了一次投资增加、设备占地面积大和散热等问题,加大了工程实施的难度,特别是对既有线路改造时需对场地重新规划。因此,开展直挂式铁路功率调节器的研究具有重要意义。本文建立并分析了直挂式MMC-RPC主电路结构和子模块工作原理,由于MMC具有对称性,对单相MMC采用等效受控源分析,分析可得单相MMC具有四象限工作特性。对单相MMC进行了环流数学模型分析,为之后环流抑制策略提供了理论基础,同时以抑制子模块电容电压波动和环流大小为基准设计了系统电容和桥臂电感参数。本文开展了直挂式MMC-RPC变流器控制策略的研究。将多电平载波移相调制和子模块电容电压排序算法相结合,形成一种新的载波移相调制策略,使其电力电子器件具有固定的开关频率,降低了子模块电容电压平衡控制的难度,具有一定的实际工程意义。结合环流分析结果提出了一种基于直流分量预测的PR控制策略,通过仿真验证对环流中二、四次倍频分量具有很好的抑制效果。从电流和功率角度出发分析了补偿指令检测的原理,为直挂式MMC-RPC提供了补偿目标。最后,以MMC-RPC为研究对象,采用两种非线性控制理论验证MMC-RPC具有非线性性,并以此为基础设计了非线性控制器并采用李雅普诺夫第二定律验证了系统的稳定性。相比于传统的双PI控制,使系统具有稳定性高,补偿迅速,可调参数少的优点,在Matlab/Simulink中通过仿真验证了所提出非线性控制器在动态干扰下具有稳定强、超调小等优点。