基于电网换相换流器的高压直流输电技术（line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC）凭借技术与经济优势,在远距离、大容量输电场合具有大量的工程应用。在“碳达峰、碳中和”目标牵引下,LCC-HVDC在电网建设中的参与度将进一步扩大,推动新基建发展。然而,LCC-HVDC采用晶闸管器件,其半控特性决定了换相过程依赖交流系统进行。因此,交流系统扰动可能引起系统换相失败,导致直流侧短路,造成电压波动和功率缺额,影响系统稳定性。现有的换相失败抵御措施主要分为协调直流功率、优化控制保护、增加补偿设备和构造新型拓扑四个大类,其中,构造新型拓扑从器件角度出发,尝试从根本上解决换相失败问题,具有普适性。基于半控器件和全控器件串联的新型拓扑方案提高了换相过程的灵活可控性,为换流器拓扑研究提供了新思路,成为目前研究的热点方向。论文围绕半控器件和全控器件串联的高压直流输电系统,相关研究工作主要从以下几个方面展开:（1）探究半控器件和全控器件串联拓扑的基本机制。本文分别从换相失败现象的宏观和微观两个层面出发,详细分析了导致换相失败的外部系统影响因素和内部器件本质原因。针对换相失败发生的关键因素和增强型电网换相换流器的不足,本文详细设计了混合串联换流阀的基本结构。传统的晶闸管换流阀在关断过程中完全依赖交流电网提供的反向电压,换相过程不可控,可靠性差。所设计的混合串联换流阀的关断过程有全控器件参与作用,不完全依赖交流反向电压,具备自主关断能力,故障情况下换相过程可控,可靠性强。进一步地,本文提出了由混合换流阀的关断角测量设计方法,为系统层面的仿真测试提供技术基础。（2）半控器件和全控器件串联拓扑的耦合关断特性分析。目前半控器件和全控器件串联拓扑的相关研究忽略了器件开关特性,导致关断模型不清晰,无法判断晶闸管阻断能力是否恢复,这对分析拓扑作用机理、准确判断换相结果不利。本文基于晶闸管器件的电流分段特性和电荷连续性建立了晶闸管关断模型,结合电荷连续性方程,推导了晶闸管关断过程的不平衡电荷的复合表达式,揭示了交流电压影响换流阀晶闸管可靠关断的作用机理。进一步地,本文分析了混合串联换流阀关断电流的流通路径,结合典型IGBT关断特性模型和晶闸管关断特性模型,建立了半控器件和全控器件串联拓扑的耦合关断特性模型。所建立模型可以准确判断晶闸管阻断能力恢复程度,确定换相结果。（3）半控器件和全控器件串联拓扑的主动协调策略研究。混合串联换流阀对换相结果的影响作用取决于合理的关断时机,基于此,本文提出了一种混合串联换流阀的主动关断时序控制策略。所提策略考虑半控器件的阻断特性,结合不同仿真平台的优势,实现了故障情况下,全控器件参与换相过程灵活可控,半控器件关断过程安全可靠的效果。进一步地,本文针对增强型电网换相换流器提出了一种组合协调控制策略。所提策略结合原拓扑中可控电压子模块的特点,实现了兼具辅助换相和可靠关断两种主动控制效果,改变了电网换相换流器被动换相的现状,系统换相失败抵御能力得到进一步提升。（4）半控器件和全控器件串联拓扑的阻容缓冲设计。半控器件和全控器件串联拓扑中,器件动作速度和动作时机具有差异性,因而承压不一致。分析器件电气应力,解决关断过程中的过电压问题,是实现工程应用的必要条件。基于此,本文提出了混合串联换流阀的动态均压阻容参数的设计与计算原则。所提原则可以实现全控器件的阻尼电容和阻尼电阻参数的优化计算,全控器件关断过电压降低至3.34kV,满足器件阻断特性要求。进一步地,本文针对增强型电网换相换流器提出了一种阻容配合方案。所提方案合理设计了可控电容和阻尼电阻,实现了兼具换相电压补偿和直流电流抑制效果,降低了电容器被旁路的风险,延长辅助换相电压的作用时间,从而增强了系统的可靠性。（5）半控器件和全控器件串联拓扑的多馈入系统分析。我国电网已呈现大容量直流多馈入落点密集的格局,该特点使得换相失败尤其是多条直流的级联换相失败问题严重威胁着电网的安全稳定运行。基于此,本文以双馈入系统为例,采用混合串联换流阀和增强型电网换相换流器分别对受端系统逆变器进行改造,验证了半控器件和全控器件串联拓扑对级联换相失败的抑制作用。进一步地,从设备损耗方面进行了计算分析,论证了半控器件和全控器件串联拓扑应用于多馈入直流输电系统的工程潜力。