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储能系统作为现代电力系统的重要组成部分，其对增强系统供电安全性和可靠性、改善电能质量和稳定电力系统运行起着关键性作用。而利用电力电子技术将不同类型的储能元件进行集成的混合储能系统，由于其综合了功率型与能量型储能元件的优点，在满足不同场景下的功率、容量等需求的同时降低储能系统投资成本，因此得到了广泛使用。在应用混合储能技术的储能系统中，链式储能功率转换系统（Power Conversion System，PCS）拓扑结构由于其模块化、易拓展、输出电压等级高、电能质量好的特性，在中高压应用场合有良好的应用前景。然而，链式混合储能系统（Hybrid Energy Storage System，HESS）在电力系统中的应用存在如下挑战：
（1）链节直流侧储能元件与功率器件易故障，直接影响储能系统工作的稳定性与可靠性。
（2）蓄电池与超级电容两类储能元件高度耦合使得其链节整体荷电状态（State of Charge，SOC）估计存在困难，影响链式HESS系统控制。
（3）在分布式配置链式HESS的情况下，其各系统间的能量均衡等方面难以实现，对分布式系统的安全性与稳定性带来不利影响。
因此，本文针对以上三个问题进行研究。首先以直流侧故障状态下的链式HESS的运行状态为研究对象，提出了基于辅助功率环的故障控制策略。将储能单元分为高频充电单元、高频放电单元和高频旁路单元，并研究了三者之间的功率交换关系、单元数量设计以及混合储能拓扑中超级电容的容量设计原则。给出了故障情况下 PCS 冗余控制系统设计。接下来，基于储能元件等效电路模型建立了混合储能系统的状态空间模型，设计了滑模观测器以实现储能元件SOC估计，并进一步提出了混合储能系统的动态等效荷电状态（Equivalent State of Charge，ESOC），用以评估其整体的工作状态。最后提出了一种基于模型预测的改进下垂控制，其基于弱通信结构的分布式系统，建立相应的ESOC预测模型、约束条件和目标函数，通过多目标函数得到功率指令序列来改变下垂系数而实现能量均衡控制。所提的故障控制策略、动态ESOC估计和基于模型预测的变下垂控制均通过MATLAB/Simulink仿真平台进行了验证。通过搭建本文所研究的三单元级联的链式HESS硬件实验平台，对其正常工作状态下的工作特性及故障状态下的故障控制策略进行了验证。
（1）链节直流侧储能元件与功率器件易故障，直接影响储能系统工作的稳定性与可靠性。
（2）蓄电池与超级电容两类储能元件高度耦合使得其链节整体荷电状态（State of Charge，SOC）估计存在困难，影响链式HESS系统控制。
（3）在分布式配置链式HESS的情况下，其各系统间的能量均衡等方面难以实现，对分布式系统的安全性与稳定性带来不利影响。
因此，本文针对以上三个问题进行研究。首先以直流侧故障状态下的链式HESS的运行状态为研究对象，提出了基于辅助功率环的故障控制策略。将储能单元分为高频充电单元、高频放电单元和高频旁路单元，并研究了三者之间的功率交换关系、单元数量设计以及混合储能拓扑中超级电容的容量设计原则。给出了故障情况下 PCS 冗余控制系统设计。接下来，基于储能元件等效电路模型建立了混合储能系统的状态空间模型，设计了滑模观测器以实现储能元件SOC估计，并进一步提出了混合储能系统的动态等效荷电状态（Equivalent State of Charge，ESOC），用以评估其整体的工作状态。最后提出了一种基于模型预测的改进下垂控制，其基于弱通信结构的分布式系统，建立相应的ESOC预测模型、约束条件和目标函数，通过多目标函数得到功率指令序列来改变下垂系数而实现能量均衡控制。所提的故障控制策略、动态ESOC估计和基于模型预测的变下垂控制均通过MATLAB/Simulink仿真平台进行了验证。通过搭建本文所研究的三单元级联的链式HESS硬件实验平台，对其正常工作状态下的工作特性及故障状态下的故障控制策略进行了验证。