电池储能具有响应快、功率密度高、对安装地点无要求、技术发展快等优点,是目前最有前景的储能技术之一。电池储能系统日益增加的容量,对功率转换系统在效率与成本等方面提出更高需求。高压直挂大容量电池储能系统将低压电池模块与模块化的多电平变换器结合,不仅能够省去工频变压器直挂中高压电网,而且能够降低电池模块的内部环流,从而提高系统的循环效率与可靠性。然而,高压直挂的结构特点给电池以及功率转换系统带来了诸多挑战。本文对高压直挂功率转换系统的控制保护策略、优化设计方法进行了系统的研究与实验验证,研究成果得到了工程应用。主要内容如下:将级联式变换器用作电池储能功率转换系统,提出了多目标统一均衡控制策略,将电网电压不平衡、模块故障冗余控制时的功率均衡及相间荷电状态均衡进行了统一,降低了整体控制策略的复杂度与计算量。采用双向DC/DC变换器抑制电池侧的二次脉动电流,提出基于陷波器的双向DC/DC变换器的控制策略。研究了级联式储能系统中共模电流的产生机理,基于等效模型分析了共模电流的路径,提出了共模电流峰值的估算公式及一种基于EMI滤波器的共模电流抑制策略。提出了一种具有储能功能的无功补偿器,研究了其有功无功耦合问题,给出一种基于bangbang原理的新型控制策略,有效地改善了功率控制性能,扩大了有功输出的范围。将储能电池分散并入模块化多电平换流器半桥子模块的电容上,构成储能型模块化多电平换流器。系统地分析了其多种运行工况,研究了基于交流与直流功率的荷电状态均衡方式,提出了适合多工况的控制策略。研究了交流电网故障时储能型模块化多电平变换器支撑直流电网运行的工况,提出了在该工况下的桥臂间荷电状态均衡策略。将部分半桥子模块换成全桥,形成具有直流故障穿越能力的储能型模块化多电平换流器,研究了其故障穿越前后的控制,给出了能够保证电池荷电状态均衡的子模块电压分配策略。针对高压直挂功率转换系统的优化设计问题,探讨了系统设计的边界条件,给出了效率、可靠性的估算方式,提出了优化设计的方法。设计了某2MW/2MWh储能电站的功率转换系统,样机投入工业运行,达到98%的效率。以储能型模块化多电平换流站用于风电场并网为案例,给出了并网系统控制策略,分析研究了储能型模块化多电平换流站对风功率的平滑问题。