1.2 直流组网装备面临的问题

构成直流电网的关键设备包括：①换流器；②直流变压器（DC transformer，DCT）；③直流潮流控制器（power flow controller, PFC）；④故障限流器（fault current limiter, FCL）；⑤直流断路器（DC circuit breaker, DCCB）。高压、大功率是上述设备的基本要求，由此带来了成本、体积越发难以接受的问题，而直流故障的清除难题进一步加剧了上述矛盾。一方面，常规的半桥子模块（half-bridge sub-module, HBSM）型MMC（简称半桥MMC）故障放电速度快，不具备直流故障清除能力，在故障后几毫秒内就会达到器件过电流能力上限。由此，直流故障清除技术通常需要在数毫秒内切断万安级的故障电流，并吸收百兆焦的故障能量，对工程设计造成极大挑战。另一方面，上述设备的半导体器件电气特性较为脆弱，在面对极端的故障工况下极易损坏，因此直流故障清除技术成为确保直流系统安全运行的关键核心技术，相应的投资成为设备成本的重要组成部分。

为解决上述问题，瑞士ABB公司在2012年提出了混合式直流断路器的基本结构，我国先后通过舟山（2016）、南澳（2017）和张北（2020）工程验证了多种更低成本、更高性能的直流断路器技术。2016年，我国提出了半桥子模块和全桥子模块（full-bridge sub-module, FBSM）混合型MMC（简称半全混合MMC）故障穿越方案，通过交直流侧控制解耦实现了换流站主导的直流故障清除策略，并成功应用于昆柳龙工程（2020），成为该领域的另一条主流技术路线。从原理上看，直流故障电流的增长遵循欧姆定律，两种方案分别可以归纳为降压/增阻方案，即通过降低电源电压或增大故障回路电阻发挥作用，具体如下：

1）半桥MMC+直流断路器方案。如图1-1a所示，半桥MMC本身不具备直流故障清除能力，需要配置直流断路器。而断路器中的避雷器（MOA）本质上是一个压敏电阻，经过换路过程投入后即可增大线路电阻，实现耗能和隔离。

2）半全混合MMC方案。当采用半全混合MMC时，换流站结构如图1-1b所示。通过充分利用全桥子模块具备的负电平输出能力，可以实现换流站出口电压在零电位附近运行，由此阻断故障源和接地点的电势差，实现故障隔离。

然而，成本问题是制约现有直流故障清除方案进一步推广的关键痛点。在投资成本方面，以±500kV张北工程为例，单台500kV直流断路器采购价为7000万～8000万元，每一极配置两台断路器后的总成本达到约1.5亿元。对±800kV昆柳龙工程而言，每个阀中有70%的子模块被替换为全桥，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）需求由半桥换流站的10368支增长到17682支（高低阀的每个桥臂各有216个子模块），总成本增加约2.2亿元。在运行损耗方面，直流断路器因为采用了混合式通流支路，负载开关中的IGBT数量较少，附加损耗较低。子模块混合型MMC因为子模块中半导体数量增多，通态损耗为半桥MMC+断路器方案的1.3倍以上，额外增加了运行成本。

图1-1 两种主要的直流故障清除方法

a）半桥MMC+直流断路器方案 b）半全混合MMC方案

图1-2所示为鲁西工程俯瞰图，由图可知，相同容量换流站，MMC造价与占地面积都高于传统直流输电。图1-3所示为现有工程中规模化应用的直流断路器结构图，整体体积大，价格昂贵。

图1-2 鲁西工程俯瞰图

图1-3 直流断路器结构图