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(lǐng)域。換流站拓撲采用半橋型子模塊、全橋型子模塊等，易實現(xiàn)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(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點，如模塊化程度高、諧波含量低、開關(guān)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(shù)向多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)發(fā)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(tǒng)相比，多端直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)具有顯著優(yōu)點，即運行方式經(jīng)濟靈活，但也有直流電網(wǎng)架構(gòu)復雜、端數(shù)多等缺點。所以直流電網(wǎng)發(fā)生故障對電力系統(tǒng)的威脅更大，故障特性分析也更為復雜。目前正在建設(shè)中的張北±500kV柔性直流輸電工程采用架空線進行多端互聯(lián)輸電。

由于半橋型子模塊所需元器件少，成本低，國內(nèi)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(shù)擴展到架空線場合是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)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(wǎng)技術(shù)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(tǒng)的影響并提出相應的保護策略。
• 有學者探究了系統(tǒng)站內(nèi)接地故障下持續(xù)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(tǒng)直流側(cè)故障暫態(tài)特性，并與偽雙極MMC-HVDC比較故障對系統(tǒng)的危害。
• 有學者針對多端直流系統(tǒng)拓撲，討論系統(tǒng)不同接地方式，研究直流側(cè)單極對地短路故障特性?，F(xiàn)有研究集中于雙端MMC-HVDC系統(tǒng)直流故障，而關(guān)于直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流故障的研究較少。

在直流輸電網(wǎng)絡中，當某一線路發(fā)生故障時，使交流側(cè)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(wǎng)。利用高壓直流斷路器能夠在幾ms內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)展開研究，首先探究直流電網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)拓撲

總結(jié)

本文針對直流電網(wǎng)系統(tǒng)，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(jié)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(fā)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?；旌鲜街绷鲾嗦菲髦睾祥l之后，需要0.1s左右，各換流站的功率恢復并維持穩(wěn)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(wǎng)穩(wěn)健快速地穿越線路極間短路故障且IGBT未出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象。