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储能技术被公认为是促进电力系统大规模消纳风、光等可再生能源发电量的关键技术,其中储能电池具有能量密度高、灵活高效、对环境条件要求低的特点,而且近年来以锂离子电池为主的电池储能系统（Battery Energy Storage System,BESS）成本逐年下降且性能不断改善,BESS已成为学术研究与工业应用的热点。由于单个电池堆的电压和容量有限,因此在实际大功率大容量工程应用中,往往采用模块化并联或级联组合的结构来实现BESS中高压并网。每个子模块中仅使用单个电池模组或电池簇,以减轻电池管理系统（Battery Management System,BMS）的监测与均衡负担,消除组内环流并提高效率;同时,功率变换系统（Power Conversion System,PCS）可以采用低压小容量器件以降低成本;此外,模块化设计便于进行容量扩展和故障冗余运行。并网型模块化BESS可以分为子模块并联型和级联型两大类结构。并联型模块化结构的现有工程应用较多,技术较为成熟,每个子模块中的PCS和BMS都可以进行独立控制,其管理与控制方法与传统DC/DC变换器、两电平或三电平DC/AC变换器以及BMS的管理与控制完全相同。级联型模块化结构则具有效率高和成本低等优势,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。但级联型模块化结构的子模块间存在电流耦合,子模块间的管理与控制需要协调配合。为了解决级联型模块化BESS的管理与控制难题,本文首先对并网型模块化BESS按结构进行了分类介绍,包括直流侧并联型、交流侧并联型、直流侧级联型和交流侧级联型四种模块化并网结构,并对各结构的相关性能进行了详细对比;然后,综述了并网型模块化BESS的管理与控制现状与问题;在充分考虑应用特点和需求的基础上,选择了三种不同结构的级联型模块化BESS开展了深入研究,具体为基于单相模块化DC/DC变换器（Modular DC/DC Converter,MDDC）BESS的电池组热插拔控制、基于单相模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）BESS的电荷吞吐量管理和基于三相MMC-BESS的电池健康状态（State-of-Health,SOH）均衡协调管理,并利用理论分析、仿真与实验样机验证相结合的手段取得了以下研究成果:1.传统的电动汽车/电动自行车的换电站（Battery Swapping Station,BSS）是并联型模块化结构,存在效率低、成本高和稳定性差的问题。因此,本文提出将MDDC-BESS结构应用到换电站中以提高效率、降低成本和增强稳定性。但是,基于MDDC-BESS结构的BSS中储能电池组存在热插拔需求,本文在分析传统BSS换电服务模型的基础上,提出了一种基于排序选择均衡控制的电池组热插拔控制方法,即使在荷电状态（State-of-Charge,SOC）完全不一致的电池组随机热插拔工况下,也能保证BSS正常运行。搭建了一台具有16个子模块的1kW/1kWh MDDC-BESS样机来验证提出的控制方法,实验结果显示所提方法在充电和放电工况下均能实现所需的热插拔功能,实现子模块灵活控制。2.MMC-BESS中流入电池组的交流纹波电流会产生额外的电荷吞吐量进而缩短电池寿命。本文对电流纹波引起的额外电荷吞吐总量进行了详尽地理论分析和评估,在此基础上提出了一种变直流母线电压控制方法以降低单相MMC-BESS中储能电池的额外电荷吞吐总量,主要包括门控信号重分配和主动旁路、开关序列重新排列等关键技术。搭建了一台具有48个子模块的6.6kW/6.6kWh单相MMC-BESS样机来进行实验验证,结果显示,与应用传统调制与控制方法相比,在理想电荷吞吐总量保持不变的情况下,该方法能够使额外电荷吞吐总量降低67.65%,可延长储能电池使用寿命。3.高压大容量BESS存在着电池组内和组间的SOH均衡难以协调的问题,导致BESS维护负担重且均衡效果欠佳。本文对应用不同组内均衡技术的电池组性能进行了系统性地比较分析,提出了一种针对三相MMC-BESS的双层SOH均衡策略,包括单体电池的相对SOH检测方法、单体电池间的SOH均衡方法、电池组内SOH均衡和组间SOH均衡的协调控制策略等关键技术。该方法无需拆解储能电池组即可方便快捷地获取每节单体电池的相对SOH,而且有效减小了单体电池间的SOH不一致性,防止劣化的单体电池在长期使用过程中容量突然大幅衰减,最终使得所有单体电池能够同时达到SOH下限值从而同时进行淘汰更换,减小了 BESS的维护工作量。搭建了具有72个子模块的10kW/10kWh三相MMC-BESS仿真模型和实验样机,结果证明该方法在减小所有单体电池间SOH不一致性和大幅减轻储能系统维护负担方面均明显有效。综上所述,本文围绕级联型模块化BESS的管理与控制,开展了较为全面深入的研究工作,能够实现子模块灵活控制、延长储能电池寿命和方便储能系统维护,从而大幅改善当前并网型BESS的工作性能并降低其成本,可以促进级联型模块化BESS的推广应用,对BESS及相关技术的完善与发展具有重要意义。