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交、直流混合输电已经成为现代电力系统的主要特征之一,未来电力系统将是交流电网和直流电网并存的大型复杂系统。从而,连接两个不同电压等级直流电网的高压大容量直流-直流变换器(DC/DC Converter)将是未来电力系统不可或缺的重要装备。直流自耦变压器(DC/DC Autotransformer,DC AUTO)是一种最近几年新提出的、成本优势非常明显的高压大容量DC/DC变换器,但是,其基本拓扑不能隔离两侧直流线路短路故障,从而不能直接应用。同时,DC AUTO的许多与工程应用相关的问题尚待研究。鉴于上述背景,本文立足于工程应用理念,研究DC AUTO的关键拓展技术,着重研究其故障隔离技术、故障穿越方法、控制策略和高效低成本拓扑结构,拟为实用化的DC AUTO的分析与设计提供理论支撑。首先,论文分析了 DC AUTO的基本拓扑、工作原理和功率平衡关系;阐明了 DC AUTO内部公共交流母线电压的可控性问题和正常运行的控制方法;深入分析了 DC AUTO基本拓扑在高、低压侧直流线路短路故障情况下的响应特性。进而,提出了一种具有隔离两侧直流线路短路故障能力的DC AUTO的改进拓扑,给出了所提DC AUTO改进拓扑中各个换流器和限流电抗器的详细设计方法,在PSCAD/EMTDC仿真环境中验证了所提DC AUTO改进拓扑及给出的设计方法的的正确性和有效性。同时,论文评估了具有隔离两侧直流线路短路故障能力的DC AUTO改进拓扑的损耗和造价。为了实现DC AUTO对外部直流线路短路故障的穿越,需要研究能够在宽直流电压范围下运行的换流器。为此,论文以Hybrid-MMC为主要研究对象,深入且全面地研究了能够在低直流电压和负直流电压下持续运行的换流器,并阐明了 Hybrid-MMC控制系统的技术方案。在改善控制系统性能方面,为了避免Hybrid-MMC“桥臂电容电压”短时间越限,提出了在直流电流内环控制器前置直流电流指令动态限幅器和在交流电流内环控制器前置有功电流指令附加控制器两种技术方案;为提高控制系统的响应速度,提出了在Hybrid-MMC控制系统的直流电流内环控制器中增加直流线路电压前馈支路的控制方法;为了克服现有降损均压算法的不足,提出了一种适用于Hybrid-MMC的引入电压回差控制的PING-PONG降损均压算法。论文还提出了一种基于“双二极管双电压源”的通用MMC电磁暂态快速仿真模型。所提快速仿真模型能够较好地逼近MMC详细模型,且能够用于Hybrid-MMC任意工况的快速仿真。上述研究结果的正确性均用PSCAD/EMTDC软件进行了仿真验证。论文深入研究了具有故障穿越能力的DC AUTO。通过深入且全面地分析DC AUTO故障穿越目标以及实现故障穿越能力对换流器的要求,提出了具有故障穿越能力的DC AUTO的设计方法和控制方法。所研究的具有故障穿越能力的DC AUTO在换流器MMC2阀侧接地和不接地情况下均适用,在外部直流线路发生单极对地短路故障时能够消除接地点电流并能够传输一定功率。论文通过仿真验证了所提的DC AUTO在高、低压侧直流线路各类短路故障下的穿越能力。此外,论文以降低成本为主要目标,在双向DC AUTO的基础上,提出了具有故障隔离能力的升压型单向DC AUTO(UUDAT)和降压型单向DC AUTO(DUDAT)。论文给出了这两种单向DC AUTO的拓扑结构、参数设计方法和控制方法,分析了它们的故障隔离能力,通过仿真验证了两种单向型DC AUTO的基本功能、故障隔离能力以及控制策略的有效性。为了进一步验证本文的研究结果,作者建立了 DC AUTO和Hybrid-MMC实验室样机以及相应的试验系统,并开展的一系列物理试验。主要试验包括:双向DC AUTO、单向升压型DC AUTO(UUDAT)和单向降压型DCAUTO(DUDAT)的功率交换试验;Hybrid-MMC在低直流电压和负直流电压下的运行试验;Hybrid-MMC在直流线路双极短路故障情况下的穿越能力试验。论文给出了 DC AUTO和Hybrid-MMC实验室样机的构成和配置、实验室样机的控制系统及其控制流程、试验系统的接线形式、试验过程和试验结果,并对试验结果作了简要分析。试验结果表明了本文研究的DC AUTO和Hybrid-MMC的正确性和有效性。