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伴随着电力负荷需求的快速增长,输配电基础设施投资方面的相对落后使得现有的交流线路传输容量已难以满足发展要求,部分输电线路已接近饱和,亟需升级换代。然而,时间、费用和土地资源等限制增加了新建线路走廊的困难和不可行性。因此,有必要选择其他有效的途径对现有交流线路进行改造以提升其输电容量。将交流线路改造成直流线路(交改直)的方式能够较大程度地提升现有输电线路的输电容量,还具有快速控制运行特性和分割电力网络的能力,能够有效缓解交流系统存在的一些固有缺陷,具有较好的应用前景。然而,目前涉及到交改直技术的文献较少,因此对其进行深入系统的研究具有工程意义。本文主要围绕输电线路交改直技术所涉及的关键技术展开。主要工作如下：(1)研究了适用于架空线路改造的基于三极结构的直流输电(Tripole Structure based HVDC, TPS-HVDC)系统的拓扑结构及与其运行相关的部分特性,比较分析了换流器的运行要求与组合方式,给出了两种典型的TPS-HVDC方案。研究了TPS-HVDC的拓扑结构特点和电流调制方式,计算了其理论最大传输功率,从功率传输及损耗、过负荷能力、经济性和实用性等几个方面分析了TPS-HVDC的特性。针对TPS-HVDC不同极对换流器的要求,给出了多种可行的换流器组合方式。提出了两类典型的TPS-HVDC方案：1)基于电网换相换流器(Line Commutated Converter, LCC)的TPS-HVDC; 2)基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的TPS-HVDC。基于两类方案的不同特点,分别提出了协调控制方法与附加控制策略,用于满足过渡阶段电压电流的顺利转换,并维持此阶段直流传输功率的稳定。(2)提出了适用于架空线路改造的基于三线双极结构的直流输电(Three-Wire Bipole Structure based HVDC, TWBS-HVDC)系统,设计了过渡阶段具体的控制时序,分析并提出了电流调节控制器的运行特性和拓扑实现方式。详细分析了TWBS-HVDC的拓扑结构和运行原理,计算了其理论最大传输功率,在分析等效电路运行特性的基础上,给出了过渡阶段各开关量的详细动作时序。电流调节控制器是TWBS-HVDC稳定运行必不可少的一个环节,从运行范围、功率波动、选址三个方面对电流调节控制器进行了分析计算,比较分析了两种可行的拓扑实现形式,并提出了其过流保护策略和控制策略。(3)提出了适用于交流电缆改造的基于方波交流结构的直流输电(Square Wave AC based HVDC, SWAC-HVDC)系统,给出了其不对称调制和对称调制两种电压电流调制方法,并分别计算了理论最大传输功率。基于调制方法的分析,给出了SWAC-HVDC两种可行的拓扑结构方案,重点对三相双极式方波交流输电(Three-Phase Bipole Type SWAC-HVDC, TPBT-S WAC-HVDC)结构的运行原理、过渡阶段开关量动作时序进行了分析研究。比较分析了TPBT-SWAC-HVDC内适用于并联线路上电流分配的两种可行方案,给出了可变电阻器的优势。设计了可变电阻器的阻值分布及其具体的实现形式。(4)基于TPS-HVDC和TWBS-HVDC,提出了两种交流线路改造成多端直流(Multi-Terminal HVDC, MTDC)输电系统的拓扑结构方案,为更大范围的功率传输提供了技术支持,有利于电网输电能力的进一步提升,缓解电能输送瓶颈。通过仿真对比研究的方法,研究了基于TPS-HVDC技术的MTDC和基于TWBS-HVDC技术的MTDC在通信要求、控制协调、过渡阶段影响范围等方面的差异性,指出了TWBS-HVDC技术在交改直构成MTDC方面的优势。将新英格兰10机39节点系统作为被改造的交流电网对象,建立了含TWBS-MTDC的交直流互联仿真模型。针对交／直流故障,研究并且分析了系统的运行稳定性。(5)针对采用架空线路输电的TWBS-HVDC和单／双极HVDC,提出了一种基于LCC和混杂式MMC (FBSM and HBSM based hybrid MMC, FH-MMC)的混合型直流输电系统。详细描述了FH-MMC的结构特点,分析了FH-MMC在稳态和直流故障下的运行特性。根据送端交流系统故障电压跌落特性分析,给出了一种桥臂子模块数的配置方法,使得FH-MMC能够在满足各方面运行要求的前提下,尽量达到投资少,损耗低的效果。研究了混合型直流输电系统的控制特性,提出了FH-MMC换流站级和阀级两层控制方法,重点研究了子模块电容电压平衡策略和子模块触发选择流程,以维持暂态和稳态下FH-MMC的正常工作,同时降低开关损耗。(6)提出了MTDC在网架结构更加复杂(形成直流电网),且含有潮流控制器的情况下,整个直流电网潮流的计算模型。在比较和分析了现有潮流控制器优缺点的基础上,提出了一种新型的电流潮流控制器(Current Flow Controller, CFC)。介绍了CFC的拓扑结构和基本工作特性,从支路电流同为正向,同为反向和不同向三个方面详细研究了CFC的运行原理,并总结得出了CFC九种运行工况。给出了CFC的控制策略,推导了CFC内各状态量之间的关系。通过对CFC经济性的简略分析,得出了CFC投资成本低、运行损耗小的结论,表明其具有较好的应用前景。