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柔性直流输电系统具有无需同步稳定性要求，远距离电缆输电无容性交流电流，远距离输电经济性好，控制迅速灵敏等特点，特别适用于交流电网互联，远距离大容量输电，孤岛供电，特大城市供电送电等场合。为此，国内外学者针对柔性直流输电开展了大量的研究工作，建成了众多的实验与工程示范平台;随着柔性直流输电技术的日渐成熟与建设成本的降低，未来柔性直流输电有可能呈现大规模增长，形成传统直流输电与柔性直流输电混合的供电模式。目前制约着柔性直流输电向更旷阔领域应用的最大原因之一就是由于其采用电缆输电线，导致其建设成本依然较高。 采用架空线柔性直流输电技术是柔性直流输电降低成本并向更多领域推广的基础，其与电缆输电有较大区别，主要体现在直流暂态故障率较高，而目前直流断路器等保护技术尚不成熟，并且柔性直流输电换流站均不具备直流故障隔离能力。因此，柔性直流输电在架空线领域的应用面临诸多困难与挑战，本文对多种适用于柔性直流输电架空线的换流站拓扑及其相关控制进行了深入的研究。 论文主要工作包括以下几个方面: (1)研究了目前常用的三种柔性直流输电换流站子单元的基本结构与工作原理，针对直流故障阻断的关键问题，遵循MMC子单元改进拓扑的思路，提出另三种新型子单元拓扑结构:单电容箝位子单元(Clamped Single-capactorSub-module，CSSM)和并联型双电容箝位子单元(Parallel Clampeddouble-capactor Sub-module，PCSM)、串联型双电容箝位子单元(Series Clampeddouble-capactor Sub-module，SCSM)，详细叙述了这三种子单元拓扑的故障隔离机理和基本特性，并将上述六种子单元拓扑在成本，损耗，故障隔离能力三方面进行了性能对比。 (2)研究了目前柔性直流输电工程通常采用MMC型换流站直流侧双极短路时，直流短路电流估算方法，通过数学公式从原理上更加直观的阐述这种拓扑结构不适用于架空线应用场合的原因，并基于CSSM与HBSM混联型桥臂，以及SCSM与HBSM混联型桥臂提出两种新的混联型换流站结构:CSH-MMC与SCH-MMC。从换流站层面阐述这两种拓扑结构的基本原理和故障隔离机理，讨论其桥臂混联配置方案，元器件需求，损耗增加量等各方面性能的优缺点，并与其他拓扑结构进行了对比分析。 (3)研究了阿尔斯通公司最新提出的HVDC-Maxsine2nd柔性直流输电换流站拓扑——变桥臂型模块化多电平换流站(Alternative Arm Multilevel Converter,AAMC)，建立了AAMC的数学模型，分析了其基本工作原理与稳态工作特性，并介绍了其直流故障隔离机理。分析了其桥臂能量流动特性，建立了其子单元电容参数和子单元数量选取依据。基于变桥臂结构思想，提出了一种新的改进型全桥变桥臂拓扑结构(Full-bridge Alternative Arm Multilevel Converter, FA2MC)建立了这种拓扑结构的数学模型，分析了这种拓扑结构的稳态特性和能量流动规律，基于其能量流动规律设计了主回路参数的计算方法。 (4)研究了针对上述架空线型拓扑结构的各方面控制策略，首先描述通用的站级总体控制策略。其次针对采用全桥子单元级联与IGBT串联结合的变桥臂拓扑结构，以FA2MC为例研究了其相关的控制策略，建立了FA2MC的离散数学模型，并设计了基于模型的预测控制方法。针对其桥臂上的全桥子单元级联结构，提出了一种新的动态载波偏置分配型多载波脉宽调制策略，设计了对全桥子单元级联结构具有普遍适用性的多载波调制策略。最后针对CSH-MMC与SCH-MMC两种混联桥臂型MMC拓扑，研究了相关的启动控制与故障穿越控制时序。 (5)针对上述理论分析结论，设计了相关仿真模型与实验平台，验证了相关的拓扑结构与控制策略的可行性。