1、 高压直流断路器方案
目前高压直流断路器大体可分为 3 种类型：基于常规开关的传统机械式断路器，基于电力电子器件的全固态式断路器以及基于二者结合的混合式断路器。表 2 对比了以上 3 种高压直流断路器的性能。
混合式断路器用快速机械开关导通正常运行电流，电力电子开关分断故障电流，在保证分断容量和动作速度的前提下降低通态损耗。综合考虑技术和经济性两方面，混合式断路器是最具可行性的方案，具有良好的研究与应用前景。本文中，我们采用文献提出的混合式直流断路器模型，其基本结构如图 1 所示，主要包括以下几部分：
1)机械式开关支路，包括超快速隔离开关(ultra-fast disconnector，UFD)和半导体负载转换开关(load commutation switch，LCS)，其中 UFD 具有零电流状态下快速断开电路的能力，在当前研发能力下，其开断时间为 2 ms 左右;
2)开关支路，包括半导体主断路器 (mainbreaker，MB)和避雷器组(metal–oxide varistor，MOV);
3)限流电抗器(current-limiting resistor，CLR)及残余电流断路器(residual dc breaker，RB)。在工程应用中，LCS 承压较小，机械式开关支路串联少数 IGBT。而开关支路在断开过程中要承受较高直流电压，需串联较多 MB 单元。此外，每个 MB 单元由多个 IGBT 模块并联以满足断流能力设计要求，因此单个断路器中 IGBT 多达数百个，本文在仿真中为研究断路器动作特性，采用 IGBT个数较少的简化模型。此外，在保证系统动态特性和控制成本的前提下加装限流电抗器 CLR，以抑制线路短路电流使其低于断路器开断容量并减小故障时桥臂电流的峰值避免换流站闭锁。
该混合式直流断路器的运行原理描述如下：
1)当直流线路正常运行时，开关支路处于断开状态，机械开关支路中的 UFD 和 LCS导通并流过直流电流;
2)柔直电网在 t0 时刻发生短路故障，保护系统检测到故障后在 t1 时刻给断路器发出动作指令，首先导通各 MB，LCS 两端承受电压可忽略不计;
3)经过短暂延时，在 t2 时刻对 LCS 内的 IGBT施加关断信号，电流迅速下降至零。此时，故障电流仅流过开关支路，LCS 承受 MB 的导通电压;
4)LCS 完成电流开断后，对 UFD 施加开断信号。开断动作存在一定的延时，在 t3时刻，UFD 完成开断动作;
5)UFD 打开后，在 t4 时刻，对 MB 内的 IGBT施加关断信号，系统剩余能量将通过与 MB 并联的MOV 内的避雷器泄放;
6)当短路电流下降到断路器的残余电流动作阈值时(t5时刻)，RB 断开，断路器整个动作过程结束，直流故障彻底清除、隔离。
该混合式直流断路器故障处理过程如图 2 所示。其中，t1—t2 间隔为 250 ms，t2—t3间隔为 2 ms， t3—t4 间隔为 50 ms，t4—t5间隔为 1~2 ms，整个混合式直流断路器的动作完成时间在 5 ms 之内。
在本文建立的柔直电网模型中，各输电线路两端的正负双极线路上和换流站出口线路上都会接入混合式直流断路器(简称断路器)用于隔离直流侧故障，并且每个断路器附近都加装电流互感器和继电器。
