牵引负荷的随机波动性与非线性等特点使得电气化铁道出现谐波、无功等电能质量问题,导致机车运行存在安全隐患,严重制约了电气化铁路的发展。为了实现《铁路“十三五”发展规划》,推动铁路绿色发展,必须拿出有效的解决方案对电气化铁道谐波等电能质量问题进行补偿与治理。有源补偿装置作为一种有效的解决方案却因为降压变压器或多重化技术影响了治理效果,为此,本文采用直挂牵引网运行的H桥级联型多电平拓扑结构的有源电力滤波器(APF)作为电气化铁道电能质量治理措施,并根据牵引负荷特点对级联APF整体控制策略进行研究与设计。为了探究牵引供电系统的谐波畸变情况,搭建了牵引供电系统及其交直型、交直交型电力机车的仿真模型,仿真模拟机车不同运行状态下牵引供电系统谐波含量,结果表明了电气化铁道谐波治理的迫切性与必要性。在分析总结了电气化铁道现有电能质量治理措施的基础上,采用级联APF的有源补偿方案,并对其工作原理、数学模型、参数设计及载波相移调制技术等问题进行分析。级联APF的控制系统是决定其补偿性能的关键。根据牵引负荷的非线性,采用即使牵引网畸变也能正常工作的自适应谐波电流检测,并在比较分析常用变步长算法的基础上,提出Sigmoid-双曲正切切换变步长自适应算法,有效改善了传统自适应稳态精度与响应速度矛盾的问题;根据牵引负荷的波动性,采用动态性能最好的无差拍电流跟踪控制,在分析了传统无差拍延时与电流采样误差对系统稳定性影响的基础上,将其改进为两拍指令电流预测和校正输出电流的无差拍控制,有效提高了系统稳定性;电压控制包括直流侧稳压PI控制与平移调制波电容电压均衡控制,PI参数通过对直流侧电压控制建模进行整定,平移调制波电压均衡法在达到均压效果的前提下避免了传统均衡方法耗时长或整定参数繁琐且复杂的问题,有效简化了控制算法。在Matlab/Simulink环境建立单相级联APF仿真模型,通过对比仿真实验验证了本文所设计的级联APF整体控制策略的正确性与有效性。最后将级联APF模型直挂牵引供电系统运行,分别对牵引负荷在稳态和暂态情况下的谐波治理效果进行验证,结果表明级联APF具有良好的谐波治理效果。