模塊化多電平換流器由德國學者R. Marquardt和A. Lesnicar在2001年提出，迅速推廣到高壓直流輸電領域。換流站拓撲采用半橋型子模塊、全橋型子模塊等，易實現高電壓或高功率。與兩電平電壓源換流器（Voltage-Source Converter, VSC）相比，該拓撲結構具有許多優點，如模塊化程度高、諧波含量低、開關頻率低和運行損耗低等，是新一代電壓源換流器中的佼佼者。

隨著柔性直流輸電技術向多端直流輸電系統和直流電網發展，直流故障保護顯得尤其重要。與兩端模塊化多電平換流器的高壓直流輸電（Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current Transmission, MMC-HVDC）系統相比，多端直流輸電系統和直流電網具有顯著優點，即運行方式經濟靈活，但也有直流電網架構復雜、端數多等缺點。所以直流電網發生故障對電力系統的威脅更大，故障特性分析也更為復雜。目前正在建設中的張北±500kV柔性直流輸電工程采用架空線進行多端互聯輸電。

由于半橋型子模塊所需元器件少，成本低，國內已投運的工程大都采用半橋型子模塊，但半橋型子模塊不具備直流故障自清除能力，故采用電纜輸電來減少直流線路故障率，例如上海南匯工程、南澳工程和廈門示范工程等。與架空線相比，電纜遠距離輸電成本高漲。柔性直流輸電技術擴展到架空線場合是電網技術發展的趨勢。因此，研究以架空線路輸電且具有故障清除能力的直流電網技術顯得尤為重要。

• 有學者分析了單極接地、極間短路和斷線三種故障對系統的影響并提出相應的保護策略。
• 有學者探究了系統站內接地故障下持續電容充電導致子模塊過電壓，并制定相應的控制策略。
• 有學者研究了MMC-HVDC系統直流側故障暫態特性，并與偽雙極MMC-HVDC比較故障對系統的危害。
• 有學者針對多端直流系統拓撲，討論系統不同接地方式，研究直流側單極對地短路故障特性。現有研究集中于雙端MMC-HVDC系統直流故障，而關于直流電網系統直流故障的研究較少。

在直流輸電網絡中，當某一線路發生故障時，使交流側斷路器動作，導致該故障線路兩端的換流站均停運，這種故障處理方法可靠性低，不適用于直流電網。利用高壓直流斷路器能夠在幾ms內斷開故障電流，減少故障電流對電力器件的威脅到最小且僅該線路停運，不中斷其他線路功率輸送。

近年來，高壓直流斷路器已取得不錯的進展。ABB公司在2012年研制出第一臺混合式高壓直流斷路器樣機，電流分斷能力為9kA，分斷時間為5ms。國家智能電網研究院在2015年自主研制出世界首臺200kV混合高壓直流斷路器，電流分斷能力為15kA，分斷時間為3ms。

本文對柔性直流電網系統展開研究，首先探究直流電網拓撲連接方式及MMC電路拓撲，分析直流線路極間短路故障特性，換流站拓撲為半橋型的MMC故障等效電路并推導對應的過電流解析方程；接著探究混合式直流斷路器開斷故障電流的工作原理，基于混合式直流斷路器提出一種線路故障重啟策略；最后在仿真平臺上搭建直流電網系統仿真模型，驗證所提出方案的有效性和可行性。

圖9 線路故障重啟方案流程

圖10 四端直流電網拓撲

總結

本文針對直流電網系統，分析MMC直流極間短路閉鎖前和閉鎖后故障特性，推導了相應的故障電流解析式。研究了混合式直流斷路器開斷故障電流的工作過程，可在5ms左右斷開故障電流。

從仿真結果來看，在換流站出口處配置限流電抗器能起到抑制電流作用。當線路發生極間短路故障，各換流站輸入功率波形波動范圍較小，負荷功率輸送基本不受影響。混合式直流斷路器重合閘之后，需要0.1s左右，各換流站的功率恢復并維持穩定運行。本文提出的線路故障重啟策略，能夠使柔性直流電網穩健快速地穿越線路極間短路故障且IGBT未出現閉鎖現象。