建设百兆级的电化学储能电站是我国“十三五”规划中大规模集中储能技术的重要目标和未来发展方向。储能元件与功率变换器的工作性能直接影响到储能系统的整体性能,本文在北京市科委科技项目“光伏并网用统一功率控制装置及直流微网技术研究与示范应用”(项目编号:D131104002013003)的支撑下,依托北京市八达岭太阳能综合示范工程兆瓦级锂电池储能系统项目,针对一种组合级联式电池储能变换器的优化控制策略展开了一系列的研究工作,从模块级、单元级以及系统级三个层面,提出了一整套优化控制策略。为了提升双有源桥变换器(DAB)模块级在电压不匹配情况下的工作效率,很多文献是通过削减回流功率来达到这个目的,然而本文的研究结果却显示回流功率的优化方法在电压变换比接近1时对DAB的电流优化效果较差,不一定能够有效提升变换器的工作效率。本文推导了全局最小回流功率的优化控制策略,并进一步提出了非有效功率传输时间的性能指标,从非有效功率的角度指出了回流功率优化控制策略的局限性。然后推导了最小非有效功率传输的优化控制策略,得到了对DAB变换器更好的优化效果。为了提升DAB和H桥单元级的工作性能,本文解析了 DAB中暂态直流偏置的快速衰减特性,考虑了对死区时间的补偿,提出了一种无电流传感器的DAB的优化控制策略。通过估计的负荷电流前馈控制,有效改善了中间直流母线电压的暂态响应性能。建立闭环系统模型,构造了一系列稳态和动态的性能指标,据此讨论了控制策略关于电路参数变化的敏感性。然后提出了一种最小中间直流母线电容的参数优化设计的方法,确保了提出的控制策略在尽量小的电容下,有效地提升单元级的稳态性能和动态性能。为了提高储能系统对不同性能电池组的适应能力以及提高整个储能电池组的可用率,提出了一种级联H桥相内功率分配的控制策略,设计了一种电池组SOC均衡控制方法,实现了对相内各级传输功率的直接独立控制。推导了功率不均衡分配极限能力值的解析计算公式,实现了对各级传输功率的约束。提出的控制策略在功率分配控制能力和输出电压谐波性能等方面都比传统载波移相(CPS-SPWM)技术有明显的优势。为了提升储能系统在不对称电网电压跌落下的低电压穿越控制的能力,设计了一种灵活的电流参考计算方法,得到了线性的搜索路径。基于常见的控制目标在线性路径上所表现出的单调变化规律,提出了一种定功率波动幅度的多目标协调控制策略。基于经典的PI控制器和自适应乘数因子,实现了对功率波动幅度和电流不平衡度之间的自适应权衡控制。通过样机和兆瓦级工程装置的实验结果,验证了组合级联式变换器拓扑结构的可行性,验证了提出的控制策略的正确性和有效性。