高压直流输电(HVDC)是我国电力产业发展的重要方向,近年来高压直流输电技术在我国发展迅速,已建成了宁东直流等多条高压直流输电线路,相关技术走在了国际前列。高压直流输电实现了电能资源的远距离、大规模输送,提高了我国电网的调度能力与经济效益,促进了国民经济的发展。电力产业是国民经济的基础产业,为其它产业的发展提供必需的能源支持,进一步深入研究高压直流输电相关技术对我国电力产业与国民经济的健康发展具有重要意义。高压直流输电系统主要包括整流阀、逆变阀、直流输电线路以及换流变压器、滤波与控制设备等,其中整流阀与逆变阀统称为换流阀。与交流输电系统相同,高压直流输电系统在实际的工程运行中也存在一些问题,其中一个比较突出的问题便是换流阀的换相失败故障。换流阀的换相失败故障是高压直流输电系统的常见故障,多发生于逆变阀。在换流阀桥臂换相的过程中,应关断阀在反向电压作用的一段时间内,如未能恢复正向阻断能力,当承受正压时又重新导通,即为换相失败。换相失败将引起直流侧电压下降和直流电流增大,若未及时采取措施,或引发连续换相失败,重则致使功率传输中断,影响电网的运行安全。换相失败的诱发机理较为复杂,交流母线电压、换流阀输入直流电流、超前触发角、交流系统故障、变压器变比与漏抗等都会影响换相失败故障的发生风险。换相失败的判断方法主要有最小电压降落法与熄弧角判别法,常见的预防措施包括：利用无功补偿维持换相电压稳定、采用较大的平波电抗器限制暂态直流电流的上升、增大超前触发角β的整定值、系统规划时降低换流变压器漏抗、采用适当的触发脉冲控制方式等。探究针对换相失败的高压直流输电系统故障预警与拓扑优化方案对减少换相失败故障的发生,提高高压直流输电系统的稳定性具有重要意义。本文通过对换相失败故障各种诱发因素的分析,得出表征换相失败故障的两个主要变量,即交流母线电压与换流阀输入直流电流。当发生换相失败故障时,会出现电压跌落与电流增大的现象,可以通过这两个变量来判断和预警换相失败故障的发生。这两个变量之间也是相互影响的,仅仅通过其中一个变量来判断换相失败故障的发生是不准确的。本文基于三相全波整流电路通过理论分析推导出基于阻抗参数的熄弧角公式,进一步得出判断换相失败的阻抗阈值,从而得到了基于阻抗参数的换相失败故障预警方法。此换相失败预警方法,其核心仍然是熄弧角判别法。因阻抗的测量在工程中更为便捷,且涵盖了交流母线电压与换流阀输入直流电流两个物理量,此预警方法相对原有技术,能够更快更准确地预警换相失败的发生。由于换相失败即是应关断阀因关断时间过短未能成功关断,导致应开通阀未能成功导通,因此加快换流阀桥臂晶闸管的关断过程可以降低换相失败故障的发生风险。本文深入分析晶闸管的内部结构与晶闸管的载流子运动过程,得出影响晶闸管反向关断时间长短的决定性因素。在晶闸管结构一定的条件下,加快晶闸管反向关断过程,即是要加快晶闸管内部载流子的运动速度,也即是要对晶闸管施加更大的更持久的反向电压。通过施加更大的反向电压,加强了晶闸管PN结空间电荷区的电场强度,削弱了其多子扩散运动,加强了其少子漂移运动,使空间电荷区更快地展宽,使晶闸管更快地恢复其对正向电压的阻断能力,从而使晶闸管更快地完成关断过程,降低了换相失败发生的风险。本文根据晶闸管关断过程的物理机理和载流子运动过程,提出针对换相失败的HVDC换流阀拓扑优化方法。此拓扑优化方法通过对换流阀桥臂的串联晶闸管反向并联二极管,将桥臂关断时承受的反向电压集中于一个或少数几个晶闸管上,促使其尽快关断,从而提高桥臂整体的关断速度,降低换相失败故障的发生风险。此方法简便易行,且见效显著,仅通过反向并联几个电力二极管即可实现降低换相失败风险的目的。为验证这一拓扑优化方法,本文采用Matlab/Simulink软件进行建模,通过修改软件自带的晶闸管模块,对串联晶闸管的关断过程进行了仿真。本文通过对比未反向并联二极管和反向并联二极管的关断过程中晶闸管电压电流波形,验证了此方法的可行性与有效性。此拓扑优化方法对高压直流输电系统具有重要的工程实际意义。本文在国内外研究的基础上,提出了针对换相失败的高压直流输电换流阀故障预警与拓扑优化方法,并分别给出了公式推导过程和软件仿真结果,因条件有限未能进行物理实验的验证。本文提出的方法可以有效地降低换相失败故障的发生风险,对高压直流输电系统的安全稳定运行具有重要意义。