柔性直流电网可以最大限度地综合各种新能源和负荷的分布特性进行多元互补,是实现大规模新能源消纳以及远距离传输的有效手段。但是因为低惯性的特性,柔性直流电网在发生严重的直流短路故障后换流器和直流侧的储能元件将迅速放电,造成故障发展快、影响范围广,故障电流迅速上升。同时,直流电网中电力电子器件也受到故障电流的冲击。然而,换流器中的IGBT耐流能力弱,故障下几毫秒内电流即达到其耐受上限,将损毁换流器中开关器件或导致闭锁,致使直流电网停运,严重危害直流电网及其嵌入的交流系统稳定性。针对柔性直流电网故障后的问题,论文围绕柔性直流电网的故障传播机理与保护的主题进行研究。首先阐述并对比了柔性直流电网的系统级和站级控制策略;然后,为研究柔性直流电网直流故障后电流的演变机理,基于单端换流站故障放电模型,提出一种具有通用性的直流电网故障电流计算方法。利用该方法提出了柔性直流电网的限流电抗器优化配置方法。其次,提出了一种利用直流侧故障限流器电压变化值的快速直流故障检测方法。最后,研究了考虑故障限流器投入过程对故障电流的影响机理。论文主要的研究工作如下:(1)柔性直流电网故障传播与故障电流计算基于单端模块化多电平换流器(MMC)故障放电机理与等效原理,论文分析了在直流电网发生短路故障后的初始短时间内的故障电流特性,研究表明该时间段内的直流故障电流主要由换流器中电容放电电流组成,交流侧的馈入电流可以忽略不计。定义了柔性直流电网中的“实节点”与“虚节点”,并对直流电网节点和支路进行编号。提出了柔性直流电网故障初始矩阵列写方法,该方法易于随直流电网结构变化,矩阵能够根据故障点变化、换流器增减或者线路增减等网络变化而拓展。基于确定的故障点,提出了初始矩阵的修正方法,包括支路的增加与“虚节点”的消去,最终确定故障电流计算所需求解的微分方程组。研究了含有DC/DC变换器的柔性直流电网故障电流传播机制,验证了所提故障电流方法在含有DC/DC变换器的柔性直流电网中的适用性。仿真测试包含了两种类型的柔性直流电网:双极和对称单极系统,仿真测试了双极系统的单极接地故障与双极短路故障,测试了对称单极系统的极间短路故障。测试结果验证了所提方法具有较高的精度与计算效率。基于所提的柔性直流电网故障电流计算方法,分析了电感和电阻参数对故障电流发展的影响。本研究内容能够为直流电网故障检测、故障限流器和直流断路器选型提供理论基础。(2)柔性直流电网限流电抗器的优化配置在直流故障电流计算方法的基础上,通过建立直流电网中限流电抗器取值大小的目标函数,并以直流断路器的开断容量和开断时间为约束条件,在考虑柔性直流电网故障检测时间与混合式直流断路器机械开关打开时间的情况下,通过模拟退火优化算法求解,使直流电网的限流电抗器取值较小。通过仿真验证,所提的直流电网故障限流器优化配置方法较之传统配置方法,在满足直流断路器开断的前提下,减少了总的限流电抗器配置的取值,并且使得柔性直流电网故障后直流电压和有功功率恢复更快,改善了动态性能。(3)柔性直流电网快速故障检测方法在直流故障电流计算的基础上,分析了限流电抗器边界效应机理,证明了在柔性直流电网中发生双极短路故障后,故障线路上的限流电抗电压值要高于非故障线路上限流电抗电压。利用线路单端限流电抗器的电压信息,提出了快速检测主保护,能快速识别低过渡电阻情况下严重短路故障的故障线路与故障极;利用线路双端限流电抗器电压信息的通信,提出了后备保护策略,能够可靠识别高过渡电阻情况下的短路故障。通过仿真验证,所提快速主保护方法能依靠单端电抗电压快速识别故障线路并判断故障极,具有较高可靠性。在测试所用柔性直流电网中能够在2 ms内快速检测过渡电阻500 Ω以内的双极短路故障以及过渡电阻350 Ω以内的单极接地故障。仿真还通过改变直流电网网架结构,验证了所提快速检测的主保护同样适用于网状直流电网结构以及对称单极柔性直流电网。并且验证了所提的差动后备保护具有较高灵敏性,能够可靠检测过渡电阻1000 Ω单极接地故障。仿真验证了直流线路潮流反转、交流系统短路和直流断路器开断等扰动下保护均不会误动,所提柔性直流电网快速检测方法具有较高的可靠性,符合柔性直流电网保护要求。(4)故障限流器投入对柔性直流电网故障影响机理在直流电网检测到故障后故障限流器将动作,解析分析了投入故障限流器后故障电流下降的过程,揭示了故障限流器投入后故障电流变化规律与电流初始值的关系。提出了将含故障电流限流器与直流断路器的直流电网故障电流的演变分为6个阶段的分析方法,分阶段提出了每一个阶段的故障电流计算微分方程表达.式。在测试模型里,验证了所提考虑故障限流器的电流计算方法具有较高的计算效率与精度。该计算方法为后续的多种故障电流设备协调配合对柔性直流电网故障电流演变的影响研究提供了前期理论基础。