由于三相四线制两电平有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)普遍受到开关电压应力小、输出电流纹波大和开关频率高等制约,APF逐渐朝着多电平拓扑发展。但电平数的不断提高导致APF控制繁琐、实时性差、结构复杂以及成本高昂等缺陷,所以模块化发展三电平三桥臂中点箝位拓扑(Neutral Point Clamped,NPC)是必然趋势。模块化发展有利于实现立体化布局,提高装置功率密度,将装置散热锁定在合适范围,并实现实时补偿,达到良好的补偿效果。本文研究了三电平NPC-APF两模块并联运行,主要做了以下四个方面工作:第一,分析了三电平NPC-APF主电路拓扑并基于同步旋转坐标系建立了APF的统一数学模型。在非理想电源电压工况下,分析了双二阶广义积分器的软件锁相环(Double Second Order Generalized Integrator Software Phase Locked Loop,DSOGI-SPLL)算法的不足,在此基础上设计了一种新颖的SPLL,即构造三角函数矩阵快速准确提取不对称畸变电压分量中的基波正序电压,跟踪基波电压相位。相比之下该算法具有一定的优越性,在非理想工况下可以快速精确获得基波电压相位与谐波电流分量。第二,分析了APF的双闭环控制策略系统,建立PI控制与重复控制并联的复合电流环路补偿器、电压环路的PI控制器、以及直流侧电压中点电位平衡算法的系统模型等。然后依次分析了适用于三电平NPC-APF空间矢量调制法(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)与载波脉宽调制法(Carrier-based Pulse Width Modulation,CBPWM),对比发现,两者开关作用时间一致,直流电压利用率相同。但是CBPWM的计算过程简单,且不存在扇区判断、计算,极大缩减了运算过程,减小运算成本。第三,分析了常用的PWM逆变器并联控制方法,并建立多模块并联系统结构数学模型。考虑到企业大规模工业生产时,容量结构完全相同的APF模块可靠性更高、成本更低。所以采用均流控制补偿策略可以实时快速地均分系统检测的负载谐波及无功电流,从而解决了大容量谐波补偿的问题。最后,本文在理论分析和仿真基础上搭建了额定25A,400V的APF装置,对上述理论分析与参数设计进行了仿真及实验验证。结果表明,所设计的APF可以有效补偿谐波、无功等分量。