随着新能源技术的快速发展,光伏发电已经成为能源转型的主力之一。储能技术作为有效平抑电网功率波动,提升电能质量的有效措施,广泛应用于光伏发电系统中。储能系统通过接入直流电网,并以直流母线电压为信息载体控制储能系统运行模式。双向直流变换器作为储能系统能量转换的核心设备,根据网压值调整能量在直流电网与电池设备间的流动,实现稳压目的。直流网压主要由光伏发电状态及负荷决定,变化范围较大。在部分高压大功率应用场景中,储能系统接入后,储能单元电压及网压侧具有相同的电压变化范围的需求,从而对储能变换器提出了更高的要求。为了满足储能系统的双端宽电压变换范围,本文针对飞跨电容三电平双向升降压直流变换器进行了深入研究,该变换器具有H桥结构,两个桥臂各包含一个飞跨电容。文章从变换器模态切换方式的角度出发,对其运行状态进行了详细分析和定量计算,在此基础上确定了变换器的最佳运行方式。与传统高压大功率双向直流变换器相比,该变换器向任意方向传递能量时,既可以实现升压变换,也可以实现降压变换,从而解决了在储能电池电压及直流网压宽范围运行工况下,储能系统的双向功率变换问题。为了对实际的硬件设计提供参考,文章在飞跨电容三电平双向升降压直流变换器工作原理的基础上,推导出了相关参数的表达式,如电感电流纹波,飞跨电容电压纹波、开关器件应力、工作效率等。同时,根据参数指标,与H桥两电平Buck-Boost变换器拓扑进行了对比分析,进一步突出了飞跨电容三电平双向升降压直流变换器拓扑的优势。考虑到变换器工作前飞跨电容需要进行预充电,文章结合传统飞跨电容结构拓扑的预充电方案,分析了主要的三种预充方式在飞跨电容三电平双向升降压直流变换器中的应用,并选择其中对拓扑结构改动最小的全母线电压预充方案作为拓扑的预充方式。针对输出电压和两侧飞跨电容电压的稳压控制目标,文章基于变换器模型,研究了双向功率控制和飞跨电容电压之间的预测控制规律。以变换器电感电流及两侧飞跨电容电压为控制目标,将各控制变量进行了解耦处理,建立了电感电流与两个飞跨电容电压三个独立的闭环系统,简化了控制器的设计。同时,为了保证输出电压的稳定,引入了电感电流与输出电压双闭环控制,在此基础上,提出了一种基于Lyapunov函数的定频模型预测控制策略。该策略在实现了双向功率变换的前提下,具备各个飞跨电容的稳压控制能力,与传统模型预测控制方法相比,显著降低了计算量并兼具良好的动态响应性能,满足了储能系统电池与直流母线双端宽电压变化范围的控制需求。最后,为了证明飞跨电容三电平双向升降压直流变换器的功能性,搭建了一个小功率实验平台,并利用该平台进行了相关实验。