随着以风电、光伏为代表的可再生能源在全球能源结构中占比的不断攀升,如何合理、高效地利用可再生能源成为目前亟待解决的问题。储能系统可根据调度指令吸收、释放能量,因而成为配合可再生能源应用的重要环节。然而,可再生能源装机容量的急剧增加对储能系统电压和容量等级提出了更高的要求,针对这种情况,本文深入研究了以电池为储能方式的单级H桥级联储能系统。为提高储能系统的并网友好性,降低电力电子装置对传统电力系统稳定性的冲击,模拟同步发电机外特性的虚拟同步发电机控制策略(简称VSG)成为储能系统控制策略的理想选择。本文对传统的VSG控制策略加以了改进,有效改善了VSG在实际应用中所面临的诸如参数整定困难等情况。由于单级H桥在实现交直流功率变换时直流侧存在固有的低频纹波电流,长期运行会导致电池发热进而缩短电池寿命,故本文在单级H桥直流侧采用电力弹簧(Energy Spring,本文简称ES)以吸收低频纹波电流。本文搭建了三相八级380V/10kVA单级H桥级联储能系统的MATLAB/Simulink仿真模型和实验样机,对储能系统展开了深入研究。首先,对单级H桥级联储能系统交流侧和直流侧分别建立数学模型并加以分析。针对单级H桥直流侧在交直流变换时产生的低频纹波电流使用电力弹簧(ES)加以吸收,并介绍了ES的四种工作模式,给出了完整的ES控制策略。其次,在传统VSG控制策略的基础上,本文在无功-电压控制环节中引入一阶惯性环节,使得储能系统输出电压具有惯性,更加接近同步发电机的电压特性。VSG控制下的储能系统无需更改控制策略即可实现并离网模式之间的切换,本文采用无锁相环的预同步控制方法,不仅省去了繁琐的锁相环参数设计过程,而且节约了控制器资源。然后,对于VSG的核心参数转动惯量J和阻尼系数D,本文给出了一种双参数协调自适应控制方法,以及基于参数自适应VSG控制策略的交流侧电压电流双闭环控制方法和叠加直流偏置的相内均压控制方法。最后,给出了储能系统主电路参数和控制器的设计过程,并搭建了仿真模型和实验平台。仿真和实验结果验证了储能系统拓扑结构和控制策略的有效性和准确性。