基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流电网是未来柔性直流输电技术的重要发展方向。目前，我国正在建设世界首个柔性直流电网工程——±500kV张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程。该工程采用了半桥子模块MMC配合直流断路器的输电方式，并且四端换流站通过同塔架设的架空线连接成直流电网。诸多新技术和装备均首次应用于该工程，这也带来了更多的技术挑战。由于架空线的应用，该工程更易出现短路故障。短路故障以及直流断路器频繁分断，使得系统过电压的计算是工程设计阶段非常重要的一环。但是，目前针对柔性直流电网短路故障过电压计算的研究仍然较少，对于短路故障下直流电网过电压仿真模型以及过电压特性的研究仍有不足。为解决上述问题，本文针对柔性直流电网中电力电子装备（MMC和直流断路器）的短路故障过电压仿真模型以及张北直流电网的短路故障过电压产生机理与特性开展了深入研究。
　　本文根据过电压仿真计算中对MMC模型仿真精度与效率的要求，提出了MMC桥臂平均值模型和端口平均值模型。桥臂平均值模型以子模块的戴维南等效电路为基础，利用能量均分方法实现了MMC桥臂级的等效建模。桥臂平均值模型的仿真精度与戴维南模型相当，仿真速度有明显提升且提升效果与子模块个数成正相关。MMC端口平均值模型是针对MMC直流侧二端口建立的等效模型。本文提出了一种新的端口平均值模型，本文模型通过增加交流侧受控电流源与桥臂充电模块，解决了现有模型不能准确仿真桥臂电流交、直流分量以及闭锁后子模块电容充电过程的缺陷。端口平均值模型的仿真精度与戴维南等效模型相当，仿真效率提高了一个数量级。文中还对比了桥臂平均值模型与端口平均值模型的适用范围、仿真效率和建模难度。相比于桥臂平均值模型，端口平均值模型不能仿真交流侧故障，但是端口平均值模型的仿真速度优于桥臂平均值模型，且端口平均值模型的建模难度小于桥臂平均值模型。因此，在过电压仿真中可以根据需要选择合适的模型。
　　本文对比分析了典型的电容换流型混合式直流断路器的分断过程，发现不同拓扑电容换流型直流断路器的端口电磁暂态特性是一致的。结合工程设计阶段过电压仿真的要求与特点，提出了电容换流型混合式直流断路器的端口等效模型。文中详细介绍了该模型的拓扑与参数计算方法。本文模型的一个显著优点是，建模时所需参数简单，不需要知道断路器内部参数，为工程设计阶段断路器的建模提供了极大的便利。本文在实验室开展了500kV二极管全桥型直流断路器的分断试验，利用试验数据验证了本文模型的有效性。通过仿真进一步验证了本文模型与参数计算方法在柔性直流电网过电压仿真中的适用性。
　　针对张北柔性直流电网工程，本文建立了短路故障中张北直流电网的简化等效电路模型，推导了单、双极短路故障中最严重工况下换流站故障极母线过电压的数学表达式，分析了短路故障发展过程中母线电压的变化过程，揭示了母线过电压的产生机理。通过仿真，分析了单极接地故障中非故障极母线电压的发展过程，并揭示了非故障极母线电压的产生机理。
　　利用本文提出的MMC端口平均值模型和直流断路器端口等效模型，建立了完整的张北柔性直流电网仿真模型。通过大量的仿真，研究了系统运行方案、限流设备参数和保护策略对柔性直流电网过电压的影响规律，并对这些影响规律进行了理论解释。基于上述仿真与分析，本文提出了柔性直流电网单极接地故障过电压的抑制措施，所提抑制措施以张北工程现有的设计为基础，在不增加建设投资的前提下，可以显著降低柔性直流电网的过电压水平。