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级联H桥(cascaded H-bridge,CHB)变换器具有模块化、可扩展性、控制灵活等优势,已在无功补偿、中压-大功率电机驱动、电池储能等领域得到广泛的应用。本文以大型光伏系统作为应用背景,以CHB并网光伏系统功率平衡以及集成储能的CHB并网光伏系统DC-DC级结构优化为目标,从拓扑结构和控制策略两个方面展开研究。论文首先针对CHB并网光伏系统中功率不平衡问题,在系统简化等效电路基础上,定义相内功率因子、相间功率因子以及相对相间功率因子,并结合传统的相内、相间功率平衡控制策略,定量分析相内、相间功率不平衡对系统运行范围的理论约束;定义功率路径和功率节点,从功率流动的角度揭示CHB并网光伏系统功率不平衡的本质;基于CHB并网光伏系统功率流动示意图,得到系统功率平衡的充分必要条件,并依据该充分必要条件,推导出两类具有功率平衡能力的CHB并网光伏系统拓扑结构。传统的CHB并网光伏系统仿真与实验结果验证理论分析的正确性和控制策略的有效性。共磁母线是实现相内、相间功率平衡的方式之一。本文构建了基于多有源桥(Multi Active Bridge,MAB)变换器的CHB并网光伏系统,并分析MAB变换器拓扑结构、等效电路以及平均模型;将DAB变换器运行特性分析方法拓展到MAB变换器,推导出四有源桥(Quadruple Active Bridge,QAB)变换器软开关运行范围、无功电流比与电压增益M_v、移相角d之间的定量关系;构建两种CHB-QAB变换器拓扑结构—交错相CHB-QAB变换器和同相CHB-QAB变换器,对比分析两种变换器应用到光伏系统中的优缺点,并通过优化设计光伏系统中QAB变换器参数,使得DC-DC级具有较大的ZVS运行区域和较小的无功电流比;最后通过系统仿真结果以及单QAB变换器实验结果验证理论分析的正确性以及系统功率平衡能力。共直流母线是实现相内、相间功率平衡的又一方式。本文提出了一种共直流母线的CHB并网光伏系统拓扑结构,通过三端口DC-DC变换器中的低压侧(Low Voltage Side,LVS)端口并联,形成LVS直流母线,实现各个逆变模块之间的功率交互;通过功率流动示意图阐述所提拓扑结构相内、相间功率平衡机理;分析三端口谐振DC-DC变换器的工作原理以及增益特性,定量分析光伏电流纹波、开关频率范围与调制策略、系统参数之间的关系,从而优化系统参数设计,减小光伏电流波动和开关频率范围;采用交叉控制策略,CHB变换器控制LVS直流母线电压,谐振DC-DC变换器控制光伏端口电压和中压侧(Medium Voltage Side,MVS)电压;最后通过仿真与实验平台验证所提拓扑结构的相内、相间功率平衡能力以及控制策略的有效性。针对储能-光伏系统正、反向功率传输能力需求不对称的工况,本文在CHB+DAB拓扑结构基础上提出了一种优化的拓扑结构-混合DC-DC型CHB储能-光伏系统拓扑结构,其拓扑结构中DC-DC级同时采用单向、双向DC-DC变换器;建立所提拓扑结构中DC-DC变换器的成本、损耗模型,并与CHB+DAB拓扑进行对比分析;采用一种基于无功功率补偿及优化分配的控制策略,提高单向DC-DC变换器数量占比,拓展所提拓扑结构功率反向流动工况下系统运行范围;最后通过仿真与实验验证该拓扑结构控制策略的有效性。该论文有图84幅,表14个,参考文献142篇。