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随着新能源发电的渗透比例在现代电力系统中逐年增加，新能源的间歇性与随机性带来的问题日益突出。电池储能系统(Battery Energy Storage System, BESS)作为提高新能源发电系统利用率的有效手段，将在电力系统中发挥越来越重要的功能。功率转换系统(Power Conversion System, PCS)作为BESS与电力系统间的接口，是BESS的核心组成部分。近年来，集成电池储能型模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter with integrated BESS, MMC-BESS)引起了广泛关注，它不仅具备MMC模块化结构配置灵活、输出谐波含量低、电流应力小等优点，还可以作为交直流系统互联的柔性接口提高了系统协同控制的灵活性，因此在中高压大功率的新能源发电系统并网应用中，MMC-BESS具有非常大的潜力。
MMC本身是多频率、非线性、强耦合的系统，集成储能系统后其运行特性更为复杂，并且MMC-BESS同时作为AC/DC网络间的接口变换器与PCS，既需要根据上层指令满足交直流功率稳定传输、BESS参与调度的需求，又需要能够实现其作为PCS本身快速、准确地实现储能单元荷电状态(State of Charge, SOC)均衡的目标。虽然国内外对MMC的运行特性以及MMC-BESS基本功能的实现进行了一定的研究，但作为新兴拓扑其相应的理论研究成果尚不够深入，存在一定局限性以及优化空间。不平衡的电池功率是影响MMC-BESS电容电压平衡的新因素，使得环流中存在显著不同于MMC的频率分量；而不同的电容电压控制自由度的选择对应着不同的系统控制策略，多环路、多控制器协调配合使得控制策略愈发复杂，在不同工况下的适用性和优化方法有待进一步深入研究。论文立足于上述问题，重点研究了MMC-BESS在集成储能单后新的运行特性与优化控制策略。
首先基于MMC-BESS的功率平衡关系定量地分析交流、直流及电池三端口之间的功率耦合方式，阐述MMC-BESS的能源转换机理，进而得到MMC-BESS所存在的多种运行模式。为了研究MMC-BESS显著区别于普通MMC的电池功率不平衡这一因素所引起的新问题，采用一种基于时域数值计算的稳态分析方法，该方法在给定交流功率、直流功率以及电池功率的稳态工作点下构建非线性方程组，以计算考虑闭环控制后的精确调制函数，从而对MMC-BESS所有电气量进行解耦，其物理意义明确，且与仿真相比效率更高。分析了电容电压脉动对交流侧输出特性的影响，指出电容电压脉动相当于在并网阻抗中串入容性阻抗使得原本的交流电感设计变得保守。基于稳态分析方法对不同稳态工作点下的系统运行范围进行校验，确保实际工程设计系统的安全运行。研究了电容电压波动率与上下桥臂电池不平衡功率之间的定量关系，获得了最大电容电压波动率的变化规律，从而能够将其作为子模块电容值设计的理论依据。
当电容电压平衡控制在MMC侧实现时，针对MMC-BESS作为PCS的基本需求，提出一种考虑不同电池组间容量差异的SOC均衡控制策略，并给出了相间及桥臂间SOC均衡控制器参数的限制条件。由于子模块间电容电压平衡依赖MMC侧的端口电压调节，为了满足MMC-BESS极端运行模式的要求，本文提出了一种同时改变端口交直流调制系数的电容电压平衡方法，通过定量分析MMC侧过调制与DC/DC侧电池功率不平衡间的约束，优化了交直流调制系数间的比例关系，提高了子模块间电池SOC的均衡速度，并给出了基于小信号模型的电容电压平衡控制器解析设计方法。
当电容电压平衡控制在DC/DC侧实现时，电容电压平衡的任务被分散至每个子模块，简化了原本MMC侧的电容电压平衡控制结构。由于此时电池功率为间接控制，系统交直流侧的控制均会影响电池侧，因此需要采取额外的措施确保电池的动态响应以及SOC均衡的有效性。在DC/DC侧，为了避免电容电压脉动中的低频分量流入电池，抑制动态过程中电容电压的波动，提出了每个桥臂采用公共滑动平均滤波器的电容电压滤波方案以及电池功率前馈分量的重构方案。在MMC侧，分别提出了系统运行于整流方式以及交流不平衡工况下的解决方案。在整流方式下，采用直流母线电压闭环的输出作为直流环流指令，并按照相间电池SOC进行分配；在交流不平衡工况下，通过分析交流侧采用不同控制目标时的相间功率不平衡程度，提出在直流侧对交流不平衡功率进行补偿，从而确保相间SOC均衡的有效性。最后，提出一种基于控制信号热备份的无缝切换方法，必要时能够使系统在MMC侧和DC/DC侧电容电压平衡控制间进行切换，不会给系统运行造成冲击或引起停机，提高了系统的可靠性。
实验平台是验证MMC-BESS的功率传输机理、电路设计以及控制策略实施等问题的重要手段，是MMC-BESS能够在实际工程中应用的关键问题之一。由于MMC-BESS上下桥臂电容电压脉动会因不平衡的电池功率产生显著差异，导致按普通MMC标准设计的电容值参数无法满足最大电容电压波动率的约束，为此依据时域数值计算方法的定量分析结果，设计了MMC-BESS满足约束条件的子模块电容值。采用层次化方法设计了系统的控制结构，包含顶层(上位机)、主控制层、相辅助控制层以及底层(主电路、采样、驱动)四层结构。最后，基于设计的MMC-BESS实验平台，对本文所提出的整流、逆变方式下基于MMC侧和DC/DC侧电容电压平衡的改进控制策略分别进行了稳态实验、功率跳变的动态实验以及极端工况运行的实验，验证了本文所研究的控制策略的正确性和有效性。
MMC本身是多频率、非线性、强耦合的系统，集成储能系统后其运行特性更为复杂，并且MMC-BESS同时作为AC/DC网络间的接口变换器与PCS，既需要根据上层指令满足交直流功率稳定传输、BESS参与调度的需求，又需要能够实现其作为PCS本身快速、准确地实现储能单元荷电状态(State of Charge, SOC)均衡的目标。虽然国内外对MMC的运行特性以及MMC-BESS基本功能的实现进行了一定的研究，但作为新兴拓扑其相应的理论研究成果尚不够深入，存在一定局限性以及优化空间。不平衡的电池功率是影响MMC-BESS电容电压平衡的新因素，使得环流中存在显著不同于MMC的频率分量；而不同的电容电压控制自由度的选择对应着不同的系统控制策略，多环路、多控制器协调配合使得控制策略愈发复杂，在不同工况下的适用性和优化方法有待进一步深入研究。论文立足于上述问题，重点研究了MMC-BESS在集成储能单后新的运行特性与优化控制策略。
首先基于MMC-BESS的功率平衡关系定量地分析交流、直流及电池三端口之间的功率耦合方式，阐述MMC-BESS的能源转换机理，进而得到MMC-BESS所存在的多种运行模式。为了研究MMC-BESS显著区别于普通MMC的电池功率不平衡这一因素所引起的新问题，采用一种基于时域数值计算的稳态分析方法，该方法在给定交流功率、直流功率以及电池功率的稳态工作点下构建非线性方程组，以计算考虑闭环控制后的精确调制函数，从而对MMC-BESS所有电气量进行解耦，其物理意义明确，且与仿真相比效率更高。分析了电容电压脉动对交流侧输出特性的影响，指出电容电压脉动相当于在并网阻抗中串入容性阻抗使得原本的交流电感设计变得保守。基于稳态分析方法对不同稳态工作点下的系统运行范围进行校验，确保实际工程设计系统的安全运行。研究了电容电压波动率与上下桥臂电池不平衡功率之间的定量关系，获得了最大电容电压波动率的变化规律，从而能够将其作为子模块电容值设计的理论依据。
当电容电压平衡控制在MMC侧实现时，针对MMC-BESS作为PCS的基本需求，提出一种考虑不同电池组间容量差异的SOC均衡控制策略，并给出了相间及桥臂间SOC均衡控制器参数的限制条件。由于子模块间电容电压平衡依赖MMC侧的端口电压调节，为了满足MMC-BESS极端运行模式的要求，本文提出了一种同时改变端口交直流调制系数的电容电压平衡方法，通过定量分析MMC侧过调制与DC/DC侧电池功率不平衡间的约束，优化了交直流调制系数间的比例关系，提高了子模块间电池SOC的均衡速度，并给出了基于小信号模型的电容电压平衡控制器解析设计方法。
当电容电压平衡控制在DC/DC侧实现时，电容电压平衡的任务被分散至每个子模块，简化了原本MMC侧的电容电压平衡控制结构。由于此时电池功率为间接控制，系统交直流侧的控制均会影响电池侧，因此需要采取额外的措施确保电池的动态响应以及SOC均衡的有效性。在DC/DC侧，为了避免电容电压脉动中的低频分量流入电池，抑制动态过程中电容电压的波动，提出了每个桥臂采用公共滑动平均滤波器的电容电压滤波方案以及电池功率前馈分量的重构方案。在MMC侧，分别提出了系统运行于整流方式以及交流不平衡工况下的解决方案。在整流方式下，采用直流母线电压闭环的输出作为直流环流指令，并按照相间电池SOC进行分配；在交流不平衡工况下，通过分析交流侧采用不同控制目标时的相间功率不平衡程度，提出在直流侧对交流不平衡功率进行补偿，从而确保相间SOC均衡的有效性。最后，提出一种基于控制信号热备份的无缝切换方法，必要时能够使系统在MMC侧和DC/DC侧电容电压平衡控制间进行切换，不会给系统运行造成冲击或引起停机，提高了系统的可靠性。
实验平台是验证MMC-BESS的功率传输机理、电路设计以及控制策略实施等问题的重要手段，是MMC-BESS能够在实际工程中应用的关键问题之一。由于MMC-BESS上下桥臂电容电压脉动会因不平衡的电池功率产生显著差异，导致按普通MMC标准设计的电容值参数无法满足最大电容电压波动率的约束，为此依据时域数值计算方法的定量分析结果，设计了MMC-BESS满足约束条件的子模块电容值。采用层次化方法设计了系统的控制结构，包含顶层(上位机)、主控制层、相辅助控制层以及底层(主电路、采样、驱动)四层结构。最后，基于设计的MMC-BESS实验平台，对本文所提出的整流、逆变方式下基于MMC侧和DC/DC侧电容电压平衡的改进控制策略分别进行了稳态实验、功率跳变的动态实验以及极端工况运行的实验，验证了本文所研究的控制策略的正确性和有效性。