模块化多电平变换器（Modular multilevel converter,MMC）以其模块化结构、低器件耐压要求、低输出谐波、高容错能力等优点成为中高压大容量功率变换器中最具潜力的拓扑结构之一,并被逐渐推广应用至可再生能源发电系统。MMC在进行交直流功率变换的同时,其子模块还可为电池储能系统提供接口,构成储能型模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter with Integrated Battery Energy Storage System,MMCBESS）,不仅提高了电池储能系统的可靠性与灵活性,更有利于系统集成与协调控制。但由于MMC特殊的电路结构,其内部电气量、控制量间存在复杂的多频耦合关系,对其进行准确的数学建模与运行特性分析一直是研究的难点。此外,电池储能系统的引入还会改变MMC的功率传输方式,影响子模块的电容电压均衡,并导致电容电压脉动增大。因此,本文围绕MMC系统建模、运行特性分析以及集成电池储能系统后的电容电压均衡控制与脉动抑制等方面开展广泛、深入的研究。MMC交流端口模型是分析系统输出特性、设计控制策略的重要依据。现有模型未充分考虑电容电压脉动与环流回路控制所引起内部耦合的影响,无法准确描述交流端口的运行特性,以此为基础的控制策略也难以实现良好的控制性能。为此,本文基于对MMC内部耦合机理的分析,将其交流端口等价为两电平变换器串联等效阻抗的结构,通过分析该等效串联阻抗的频率特性,揭示MMC内部耦合对其交流端口的影响,并得到准确的交流端口模型。然后,进一步分析了环流回路控制等因素对等效串联阻抗的影响,得到简化表达式,即为RC并联的一阶形式,使所得交流端口模型更加简洁、直观,便于实际应用。稳态与动态仿真结果均表明所提出的模型能更准确的描述MMC交流端口的运行特性。最后基于所得交流端口模型,设计了交流回路控制策略,提高了有功与无功功率的解耦控制性能;揭示了MMC独立运行时低频振荡的产生机理,指出环流回路控制对抑制低频脉动具有重要作用。MMC结构复杂,除交流端口外,其内部还存在多个不同频率的变量与多个控制环路,并形成复杂的耦合关系。现有分析方法如多谐波线性化、相量模型等,在描述多变量、多频率、复杂耦合系统时往往伴随着极其复杂的建模过程,难以展开全面、精确的稳态分析与动态分析。为此,本文提出将谐波状态空间（Harmonic State-Space,HSS）理论应用于MMC系统建模与运行特性分析中。首先建立了基于HSS的稳态模型,得到内部变量的精确稳态解,用于主电路参数设计;分析了二次环流控制对电容电压脉动、桥臂电流幅值、桥臂电流有效值等稳态特性的影响,提出了综合考虑多性能指标的二次环流优化控制方案,平衡各性能指标实现系统整体性能的优化。然后建立了基于HSS的动态模型,通过特征值与参与因子研究各环路控制器的参数设计方法与稳定边界,揭示了相电容电压均衡控制、桥臂间电容电压均衡控制、环流控制之间的耦合关系。基于HSS模型的精确分析结果,提出了一种便于实际应用的控制器参数简化设计方法。最后,仿真和实验结果验证了本文HSS模型与分析结果的精确性。电池储能系统接入MMC后,其荷电状态（State-of-charge,SOC）均衡与子模块电容电压均衡之间相互影响、相互制约。为在子模块电容电压均衡的前提下确保SOC的快速均衡,需对子模块的均衡能力进行评估。为此,本文首先定义了子模块功率不平衡度的概念,提出用系统所允许的不平衡度范围评估子模块的均衡能力,并作为SOC均衡控制器参数的设计依据。然后,针对常用的电容电压闭环均衡控制与电容电压排序均衡控制,评估其子模块均衡能力,分析调制比、电池功率等因素对子模块均衡能力的影响。在此基础上,提出电容电压闭环均衡控制的优化方案,解决其在高调制比下子模块均衡能力低的问题。最后,搭建了MMC-BESS实验平台与仿真模型,验证了本文所提出的子模块均衡能力评估方式与优化控制策略的有效性。电池储能系统的引入导致子模块电容电压脉动幅值增大。为此,本文提出了一种基于隔离型三端口DC/DC变换器的电池接入方式。上桥臂子模块与下桥臂子模块共用电池储能单元,三者通过隔离型三端口DC/DC变换器连接。通过调节电池功率在上、下桥臂间的分配,消除环流中的基频分量,避免桥臂间电容电压脉动的不均衡;通过在上、下桥臂间传递基频脉动功率消除电容电压中的基频脉动分量。建立了隔离型三端口DC/DC变换器的数学模型,提出了能同时实现电池功率控制与电容电压脉动抑制的控制策略,并设计了相应的控制器参数。最后搭建了基于隔离型三端口DC/DC变换器的MMC-BESS实验平台,实验结果表明所提出的电池接入方式与控制策略能实现显著的电容电压脉动抑制效果与良好的电池功率控制性能。