在电气化铁路运营中,由于牵引供电系统自身特有的供电制式和机车复杂多变的运行工况,机车负荷产生大量无功和谐波,导致牵引供电系统功率因数低、波形畸变严重和电压波动大等电能质量问题,不仅增加电能的损耗,降低能源的利用效率,还威胁电气化铁路牵引供电系统和机车负荷的安全性和稳定性,严重时甚至引起电气设备损坏,引发供电、行车事故,造成国家经济重大损失。因此,必须采取行之有效的措施对电气化铁路电能质量进行补偿和治理,而本文提出基于27.5 kV直挂式级联型有源电力滤波器(APF)的有源补偿方案,并对方案实施中的关键问题进行了研究。本文首先针对电气化铁路典型的交直型和交直交型电力机车、动车组的网侧电气特性进行了分析,通过大量机车负荷实测数据详细分析了机车负荷本身的无功、谐波特征。此外,根据在牵引变电所实地监测的数据,分析了牵引母线的无功、谐波水平,显示了电气化铁路电能质量治理的迫切性,并为有源补偿系统参数设计提供基础数据。结合京沪高速铁路电能质量综合治理试点工程,本文总结了现有的电气化铁路电能质量治理措施,在此基础上提出采用直挂式级联型APF动态治理电气化铁路无功、谐波等电能质量问题。针对典型的牵引供电方式,如以YNd11、单相Vv变压器为主的27.5 kV供电电压的直接供电方式,以及2×27.5 kV和55 kV供电电压的自耦变压器(AT)供电方式,本文分析了级联型APF实现方案、工作原理和系统配置结构,研究了不同牵引供电方式下不同有源补偿方案的基波有功电流、基波无功电流和谐波电流的流通回路等。级联型APF主电路复杂、系统庞大,与之对应的控制系统同样结构复杂、任务繁重。因此,本文分析了空间资源、时间资源消耗较少的ip-iq参考电流检测算法、滑窗迭代DFT检测算法和采用两个权值的自适应对消检测算法。在分析上述检测算法的基础上,针对具有波动性的机车负荷,提出改进的ip-iq检测算法和无锁相环的单相谐波电流检测算法,提高动态负荷的检测精度、响应速度以及避免锁相环误差对检测性能的影响。本文研究了级联型多电平变流器的电压、电流综合控制策略。针对直流电压控制,推导出基于瞬时能量平衡的数学模型,并分析了全局直流电压控制的参数整定方法。针对电流跟踪控制,提出两种综合控制策略,即基于无差拍和准谐振控制的瞬时电流控制策略和基于d而解耦的直接电流控制策略。其中,无差拍控制根据系统模型可推导出准确的的数学公式,且具有参考电流信号预测功能。准谐振控制能够实现交流信号的无误差跟踪,提高基波电流控制精度,将二者结合的瞬时电流控制适合于大功率APF。基于dq解耦的直接电流控制策略将电源电流直接作为控制对象,能够减少模拟量采集数量,省去参考电流检测环节,尤其适用于电气化铁路多馈线的应用环境。针对直流电压均衡控制,本文基于矢量重构和脉冲交换的原则,本分析了两类直流电压均衡控制算法的原理和实现方法。仿真结果表明上述控制算法的正确性。本文考虑牵引供电方式、机车负荷典型稳态、暂态特性和牵引网电压畸变等,建立了有源补偿系统的软件仿真模型,验证了本文有源补偿系统具有很好的无功、谐波补偿能力。在仿真验证基础上,搭建实验室小功率试验样机,规划控制系统总体功能构架,完成集中式数字控制系统设计,并通过试验验证了控制系统的正确性,对工程实践具有宝贵的指导价值。在试点工程中,对27.5 kV大功率APF工程机进行调试,验证了有源补偿系统的主电路、控制电路、控制策略的正确性、有效性,结果表明该补偿系统具有良好的无功补偿和谐波抑制效果。