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电网换相高压直流输电(line-commutated-converter high voltage direct current, LCC-HVDC)技术在全世界范围内得到了广泛的应用,然而,LCC-HVDC采用晶闸管技术,依赖交流系统换相,交流系统扰动可能引起系统换相失败,导致阀臂过电流甚至是换流阀闭锁。直流系统不同的拓扑结构、不同的控制策略均会影响系统的换相能力。为预防换相失败的发生,现有技术基于换相失败原理,提出了触发角提前触发机制；基于强迫换相原理,提出了串联电容换相电容器(capacitor-commutated converters,CCC)和可控串联电容器的换流器技术(controlled series capacitor converter, CSCC),抑制换相失败效果显著,但是在不对称故障时存在电容电压充电不平衡问题,故障恢复较慢。文章首先提出了一种LCC-HVDC阀臂串联半控型H桥子模块的拓扑结构,故障时可为系统提供辅助换相电压,增大系统换相面积,从而提高直流输电换相失败免疫力。针对系统不同运行工况,设计了子模块的6种工作状态,研究了对应的电流流通路径,提出了阀臂子模块与阀臂晶闸管间的协调控制策略。理论分析了阀臂导通和关断两种典型状态下的子模块电压电流应力,同时揭示了子模块电容电压与电容容值间的相互影响机理。随后,在PSCAD/EMTDC中搭建新型拓扑结构模型,实现子模块和阀臂晶闸管间的协调控制策略。整流侧仍采用传统直流输电系统拓扑结构,逆变侧采用阀臂串联子模块的新型拓扑结构。系统基本控制策略仍然采用传统直流输电最常用的整流侧定电流、逆变侧定关断角的控制方法。对比分析新型拓扑系统和传统LCC-HVDC系统在稳态运行、单相故障、三相故障及不同故障严重程度条件下的系统参数运行特性。为了更好的评估子模块辅助换相能力,采用临界电感和换相失败免疫力作为评价指标,对比分析新拓扑、CCC-HVDC与LCC-HVDC三者间的动态变化特性。最后,为分析阀臂串联子模块的新型拓扑结构在多馈入直流系统中的作用,搭建了新型拓扑与传统LCC-HVDC混合馈入的双馈入直流输电系统模型。除此之外,对新型拓扑结构增加的经济成本进行了计算分析。理论和仿真结果表明,阀臂串联子模块的新型拓扑结构,在一定程度上可以降低换相失败发生概率,有效改善系统暂态运行特性,提高弱交流系统和多馈入直流输电系统故障期间的换相能力。