随着我国城市化进程不断加快,城市轨道交通以其特有的运量大、能耗低以及安全性高等优点,相比于其他交通方式得到了迅速的发展。储能技术作为城市轨道交通系统中提升能量利用率、改善直流电网电能质量的有效措施,受到了广泛的关注。超级电容是一种具有高功率密度、低污染和长循环使用寿命的储能元件,由其构成的储能系统在城市轨道交通系统中有着独特的优势和广阔的应用前景。为了提升超级电容储能系统在1500V城市轨道交通直流电网中的适用性,本文以模块化超级电容储能系统为研究对象,对功率变换拓扑结构、功率变换和能量均衡一体化控制等核心技术展开深入的探讨与研究。从储能系统在工程应用中存在的问题入手,深入原理分析,提出关键技术,旨在寻求解决方案。首先,开展了储能系统双向功率变换器拓扑结构的研究工作。对1500V城市轨道交通直流电网的电压进行了在线测试,分析了在线运行车辆工况对直流供电网压的扰动情况,明确了超级电容储能系统在直流供电线路中的使用要求。为了解决直流供电网压突变造成传统模块化多电平直流变换器(Modular Multilevel DC/DC Converter,MMDDC)过流和超级电容储能装置启动时的预充电问题,提出一种适用于储能系统的组合型MMDDC拓扑结构。结合不同模式下的工作原理分析,提出基于组合型MMDDC的超级电容储能系统基本控制策略。深入论证了组合型MMDDC用于超级电容储能系统的可行性。其次,针对于1500V城市轨道交通直流电网中应用的储能系统,深入研究了储能模组的能量均衡控制策略。不同于将能量均衡与功率变换相互独立的系统控制方式,文中考虑到模块化储能系统具备子模组独立控制能力,将能量均衡与功率变换功能由一套电路统一实现,使储能系统能够在充、放电变流动态过程中同时实现储能模组的能量均衡控制。对于不同的直流电网电压等级应用场合,提出了三种组间能量均衡控制策略,并对均衡能力、系统电流控制性能以及稳定性分别进行了详细分析。组间能量均衡策略的提出有助于简化储能系统的控制结构,实现功率与均衡的一体化控制。基于组合型MMDDC的超级电容储能系统具有冗余控制功能,研究其功率变换器故障诊断方法及冗余控制策略,在一定程度上可提高系统的可靠性。在研究工作中,提出一种快速开路故障诊断算法以检测控制单元或功率单元产生的子模组开路故障。通过执行提出的冗余控制策略,可实现故障子模快速切除及冷备份子模组的无缝接入。开路故障诊断算法及冗余控制策略的提出有助于确保储能系统长期安全运行。论文最后对储能系统动态性能及其电能质量进行研究,旨在提升其性能,从而拓展其应用领域。文中提出采用线性扩张状态观测器来观测直流电网中负载电流的变化,并将观测结果前馈到控制系统中,以提升储能系统抑制车辆负载对直流电网扰动的动态响应速度。对于储能系统的二次纹波电流的抑制,提出一种虚拟阻抗控制策略,使储能系统在二倍频处具有高输出阻抗,从而抑制二次纹波电流传入储能系统中。本文对基于模块化多电平直流变换器的超级电容储能系统的充电模式过流问题、组间能量均衡策略、开路故障检测及冗余控制策略和储能系统电能质量优化等关键技术问题进行了深入的研究分析。针对于上述问题,结合储能系统模块化的结构形式,寻求一体化控制解决方案,并提出了相应的控制策略,利用物理仿真实验平台对所提出的拓扑结构及控制策略逐一进行了验证。论文的研究工作对于模块化储能系统的工程应用具有一定的参考价值。