与传统点对点直流输电系统相比,多端直流(Multi-terminal DC,MTDC)输电系统具有投资经济性,供电可靠性和控制灵活性等优点,更是解决大规模新能源并网,多个异步交流电网互联等问题的重要解决方案。然而,多端直流电网是一个基于电力电子元件的低惯性系统,直流侧故障后会产生上升速度极快,且幅值很大的放电电流,可能导致大量电力电子元件过电流损坏,甚至整个直流电网的闭锁。此外,多端直流电网的故障暂态发展极快,即使在使用直流断路器的情况下,也可能会因缺少超高速的继电保护技术而无法实现故障选择性隔离,从而无法保证系统非故障部分连续可靠运行。因此,针对多端直流电网的故障机理和保护相关问题进行研究具有重要的工程意义。针对目前多端直流电网所面临的主要困难,本文分别从过电流的解析计算和抑制方法,故障传播机理和操作过电压分析,以及快速线路保护算法三个方面展开研究,主要研究工作如下:(1)根据直流侧双极短路故障的暂态特征,提出了一种基于“放电网孔”的多端直流电网短路电流通用计算方法,然后在此基础上,提出了一种多端直流电网限流电感的全局最优配置方案。该方案以系统配置总电感最小为优化目标,并综合考虑了直流断路器可靠动作、换流站防闭锁和保护需求的约束条件,最后采用改进教与学优化算法来确定全局最优解。本文所提方案能够保证系统在故障穿越期间,非故障换流站和直流线路能够连续可靠运行,并且适用于不同的直流拓扑和电感配置地点。(2)深入分析了对称单极柔直电网直流侧故障的暂态过程和电流演变规律,从而揭示了由直流故障所引起的操作过电压机理,然后重点分析了故障电阻、换流站闭锁和线路保护等因素对过电压的影响。最后,对比分析了单、双极短路故障的过电压特点,并给出了有效的避雷器配置方案。(3)分析了不同区域故障时直流线路电感终端的波阻抗时域特征,通过引入电压增量型启动判据,提出了一种基于波阻抗的多端直流电网快速线路保护算法。所提保护方案仅利用本地波阻抗值就能够快速准确地识别故障区间,满足了保护速动性需求,并且波阻抗判据从原理上消除了故障电阻的影响,极大提高了保护耐受电阻能力。(4)分析了多端直流电网发生正反向故障时的行波极性特征,以及直流线路电感终端所导致的方向判据振荡问题,然后在此基础上,提出了一种基于行波暂态能量的快速方向差动保护方案。所提方案不仅能够快速可靠地识别故障区间,而且还设计了正反向故障加速环节来提高保护的动作速度。仿真结果表明本文所提方案能够适用于不同的故障场景,并且具有较强的耐受过渡电阻和抗干扰能力。(5)针对极端过流故障或保护动作延时所导致的直流断路器开断容量不足,提出了一种新型MTDC电网故障电流主动控制方法。该方法仅需要在子模块出口配置一个并联晶闸管以及桥臂阻尼模块,就能够有效减小换流站的馈入电流。文中详细阐述了主动限流控制的工作原理,以及与直流断路器配合的具体方案,还给出了阻尼模块的参数选择方法。与传统的DTSS相比,本文提出方法能够有效减小故障的影响范围,并极大提高了系统恢复速度。