基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）的柔性直流电网可提升新能源消纳水平,正在成为以新能源为主体的新型电力系统重要支撑。柔性直流电网容易受到直流故障的影响,其固有的弱阻尼特性导致直流故障电流上升速度快、过流幅值大,易造成“局部故障、全网停运”,严重影响系统安全稳定运行。揭示直流故障发展演化的内在机理并提出快速有效的选择性故障清除方法对柔性直流电网进一步发展建设具有重要意义。然而,目前常用的故障仿真分析法存在无法穷举故障场景和难以揭示深层故障本质的问题,在故障清除方面,直流断路器可以快速并选择性地清除直流故障,但其大规模推广应用受到实施成本的制约。针对上述问题,本文开展了面向机理揭示的柔性直流电网故障解析计算方法和面向技术经济性能提升的故障清除技术研究,主要工作如下:（1）MMC直流故障全过程解析和故障电流计算方法研究。分析了直流故障的三阶段发展过程,建立了闭锁前电容放电阶段（阶段一）换流器RLC等效解析模型,提出了MMC闭锁后交流馈入暂态阶段（阶段二）的戴维南等效模型,推导了暂态电流解析式。针对闭锁后交流馈入稳态阶段（阶段三）,分析了桥臂电流变化特征,基于交、直流侧电流与桥臂电流间的恒定数学关系,通过分段求解桥臂电流获得了稳态故障电流解析式。利用所得解析式,揭示了稳态故障电流随系统参数的非线性变化机理。所提闭锁前暂态、闭锁后暂态和稳态故障电流解析式一起,构成了覆盖故障发展全过程的MMC故障电流解析计算方法。通过多故障场景下解析值与仿真值的对比验证了所提方法的有效性。（2）直流电网暂态故障电流解析计算方法研究。针对双极短路故障下系统多节点高阶耦合、解析难的问题,建立了线性化的直流电网复频域故障附加网络,提出了利用拓扑简化和公共支路解耦的网络降阶方法。考虑MMC故障过程特征,通过拓扑化简保留了故障换流站及其相邻健康换流站,将环网化简为开式网络。基于高频等效定理,对开式网络的公共支路进行了解耦,得到了由多个二阶RLC电路叠加表示的直流电网低阶解析计算模型,并推导了暂态故障电流解析式。针对单极接地不对称故障带来的正、负极耦合难题,提出了基于相域等值模型的单极接地故障电流计算方法。利用推导的解析式,揭示了主电路电感参数对暂态故障电流的影响机理。通过多故障场景下的仿真和实验验证了所提方法的有效性。（3）基于多端口直流断路器的故障清除技术研究。分析了含直流断路器的直流电网故障清除原理,应对现有直流断路器成本高、无法应对断路器本体支路故障的问题,提出了具有环形母线和桥式换流结构的新型多端口直流断路器。设计了多端口直流断路器的拓扑结构,给出了应对不同类型故障的清除控制策略。分析了多端口直流断路器各支路的过压过流特性和参数设计原则。搭建了一个低压等级的三端口直流断路器实验样机,验证了所提方案的有效性。分析对比了不同类型断路器拓扑的技术经济特征,结果表明所提新型断路器在快速有效清除直流电网多类型直流故障电流、应对断路器本体失灵故障和可靠性等方面优势明显,保护连接在同一母线上的3条直流线路时,所提新型断路器的功率器件成本仅为已有两端口直流断路器的1/3。（4）基于开断参数解析的直流断路器参数优化配置研究。剖析了故障电流的转移、开断过程,建立了直流断路器故障等值模型,提出了直流断路器关键开断参数解析计算方法。基于开断参数解析计算模型,提出了直流断路器参数优化配置方法,得到了平衡断路器断流技术性能和经济性能的最优参数方案集合。最后,通过案例分析验证了所提解析式的有效性以及所得优化方案的可行性。所提参数优化配置方案在满足系统动态运行需求基础上,综合考虑了断流技术和经济性能,为实际直流电网工程的直流断路器参数设计提供了更多选择。