高速铁路在我国“一带一路”战略中扮演着至关重要的角色,而高速电力机车的动力核心电力传动技术是一个不容忽视的环节。和谐号动车组中的CHR2型动车采用三电平拓扑结构的整流设备,因此本文选用单相三电平整流器拓扑作为研究对象。在电能从交流形式转换为特定要求的直流形式的过程中,人们对电能质量的要求越来越高。本文从单相三电平整流系统功率因数提升、控制精度优化、谐波情况改善的角度出发,做了如下工作:首先,分析单相三电平整流系统的工作原理和数学模型,并研究适用于该整流系统的基于电压环与电流环的双闭环控制、滞环直接功率控制。其次,为提高功率因数、加快响应速度,模型预测功率控制(Model Predictive Control,MPC)已经被应用于代替现有的控制与调制算法。但传统模型预测存在控制精度较低,跟踪误差大等问题。针对这些问题,提出基于两步预测的改进方案,以内模原理构建的重复控制优化参考功率的给定值,改善瞬时功率的跟踪误差。同时分析传统模型预测控制建模误差产生的原因,以反馈校正补偿误差值。再次,在单相三电平整流系统中,应用改进的控制策略,推导模型预测功率控制的预测模型与评价函数。并搭建仿真模型进行对比仿真,仿真结果表明单相三电平整流系统利用模型预测控制代替传统的调制环节,具有能够在低开关频率下实现快速的动态响应的特点。而整流系统在加入重复控制与建模误差补偿后能明显的缩小有功、无功功率的跟踪误差,改善网侧的谐波情况,提升系统的控制效果。最后,在仿真结果的基础上搭建单相三电平拓扑的实验平台,利用以DSP为核心的控制硬件,对以上控制方法进行对比实验。实验结果与仿真结果相互印证。