为了解决新能源并网与消纳问题,基于模块化多电平换流器的柔性直流电网技术已经成为目前学术研究的热点。直流电网的故障检测与保护是制约其发展的主要技术瓶颈之一。其主要难点表现在:(1)换流器每桥臂串联子模块数量较多,其发生子模块故障的概率较大,如何在保证子模块运行效率的同时提升系统的容错运行能力,其策略设计较为复杂;(2)相比于交流电网,直流电网的阻尼相对较低,其故障发展更快、故障保护难度更大,如何实现故障的快速检测与定位显得愈发关键;(3)直流电网的故障切除时间一般需控制在5ms以内,加之故障过程中短路电流不存在过零点,传统交流断路器难以胜任,因此如何设计适用于直流电网的直流故障处理装置具有较大挑战。为此,本文针对以上技术难点,主要从以下几个方面对柔性直流电网的故障保护策略进行研究:(1)针对换流器内部子模块故障,提出了子模块优化投入策略与冗余保护策略。研究了交、直流电压对子模块投入情况的影响,提出了基于动态冗余度的子模块优化投入策略。该策略根据桥臂输出电压的最大值以及人为设定的安全裕度来确定子模块电容电压参考值,可以有效提升换流器的运行灵活性。针对工程中较为常见的桥臂不对称运行工况,对子模块开关函数以及环流产生机理进行了深入分析,并推导了其改进数学模型。为减小桥臂环流中出现的基频分量,提出了改进的换流器冗余保护策略。该策略由桥臂电流不平衡抑制器以及平均开关函数不平衡抑制器组成,通过调整子模块电压基值以降低桥臂不对称度,可有效增强换流器抵御子模块故障的能力。(2)针对系统直流侧故障,提出了一种具有直流故障自清除能力的、适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块拓扑,并研究了相应的运行策略。该子模块由12个IGBT、12个反并联二极管及4个电容器组成,可分别输出4电平、2电平、0电平及-2电平,具有较强的运行灵活性。对稳态运行、降压运行、故障处理等不同运行模式下的子模块工作原理进行了详细分析,并对其电容电压平衡方法及调制策略进行了深入研究,讨论了典型的控制流程,设计了基于该子模块的直流故障处理方案。(3)针对系统直流侧故障,研究了混合式高压直流断路器的基本结构与动作原理,提出了一种基于就地检测就地保护的直流故障处理策略。其基本思路为:当流经断路器负载转移开关的电流大于正常最大电流的2倍,且电流方向为流向直流线路侧时,该负载转移开关即立刻动作,并起动该直流断路器动作的整个过程。该策略中线路两侧的断路器独立完成故障检测和跳闸动作,两者之间不需要协调。相较传统策略,该策略具有较好的保护选择性与极佳的快速性,可快速隔离故障线路,大幅降低断路器需要开断的故障电流水平,从而降低断路器的造价成本与制造难度。(4)针对系统直流侧故障,提出了一种适用于直流电网的组合式高压直流断路器,并设计了配套的直流故障处理策略。该断路器以混合式高压直流断路器为设计背景,对其主要设备进行重新配置并加以改进。该断路器由主动短路式断流开关、负载转移开关、超快速机械开关以及辅助放电开关组成,可在保证直流故障处理速度的前提下大大降低设备投资,尤其适用于由架空线连接的多端直流系统以及直流电网。分别采用由继电保护系统主导的故障处理策略以及基于就地检测就地保护的故障处理策略进行了仿真验证,仿真结果验证了组合式高压直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。(5)针对高压直流断路器在工程领域遇到的实际问题,提出了一种具有潮流控制及自供能能力的新型组合式高压直流断路器。该断路器对日常通流支路进行了改进,将负载转移开关由原有的IGBT串联变为全桥子模块串联,并增加了过压泄荷支路;同时通过相应的控制策略,使子模块中的电容在正常工况下带电运行。通过负载转移开关运行方式的切换,该断路器具备启动充能、稳态运行、潮流控制以及故障处理四种模式,功能性与灵活性得以大大提升。与现有拓扑相比,该断路器无需外部供电电路,避免了工程中难以解决的绝缘及耐压问题。同时,将直流潮流控制器的功能嵌入到断路器中,通过控制其子模块电容投入的频率,实现对潮流的有效控制,避免了设备的重复投资。