随着大功率交-直型与交-直-交型电力机车的大量使用,我国电气化铁路谐波、无功、负序等电能质量问题尤为突出。APF(Active Power Filter,有源电力滤波器)作为保障电气化铁路稳定、高效、安全运行的重要手段之一,可以对电气化铁路存在的电能质量问题起到综合补偿作用,是目前治理电气化铁道谐波污染的较好方案,因此研究APF对电气化铁路电能质量的改善具有重要意义。本论文针对以上背景展开如下研究：(1)对APF的常见拓扑结构进行分析,提出采用三相四开关变流器作为并联型APF主电路。分析其工作原理与数学模型,为其实现对谐波、无功及负序电流的补偿奠定了基础,并为后文中控制策略的选择及设计研究提供理论基础。(2)谐波检测算法对APF性能起决定作用。本文在分析两类机车谐波特性后,选择了在电网电压不平衡或畸变的情况下,仍然可以实现高精度检测的同步基波旋转坐标系检测法,此外这种方法无需锁相环,可提高谐波检测速度及精度。(3)为了提高APF的补偿能力,采用两类基于内模原理的高精度电流跟踪控制策略,包括VPI(Vector Proportional Integral,矢量比例积分)控制器与重复控制器。VPI控制作为一种选择性谐波补偿技术可以提高APF的灵活性和适应性,同时减少控制器的计算量。根据其选择性的特点,提出基于VPI控制的无谐波检测补偿技术,省略补偿电流检测及计算环节,降低成本并提高动态响应性能。为了使控制器更加简化,研究基于重复控制器的电流跟踪控制策略。论文给出重复控制器的设计方法,并对其进行了动态、稳态性能分析。在理论研究的基础上,通过MATLAB仿真验证了两种控制器的有效性。(4)当APF运用于电气化铁路这种中压大功率场合时,多电平拓扑结构可以显著提高APF的补偿性能。MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平变流器)因具有结构模块化易于扩展、所需元件少等优点而具有广泛应用前景。在分析基于MMC技术的APF的工作原理及数学模型与CPS-SPWM(Carrier Phase Shifted-SPWM,载波移相脉宽调制)技术后,通过MATLAB仿真验证了该结构的优越性。