柔性直流电网是以电压源型换流器、直流断路器和直流母线等设备为基础构成的新型电力传输网络,具有潮流控制灵活、多端源荷互动、易于大规模清洁能源接入、供电可靠性高等独特优势,已成为直流输电技术的重要发展方向。继电保护是保障电网运行安全的重要基础,由于柔直电网的结构、运行控制方式以及故障特性与传统交流电网和高压直流输电系统存在较大差异,给故障特性分析和继电保护带来了许多新的问题和挑战。本文在国家重大专项等项目的支持下,根据柔直电网的技术特点和继电保护的应用需求,重点围绕柔直电网建模方法、控制策略、短路电流特性分析以及继电保护原理开展了系统的理论研究和仿真分析工作。本项研究对保证柔直电网的安全可靠运行具有重要的理论和现实意义。柔直电网的数学和仿真建模是柔直电网控制策略研究、故障特性分析和保护原理研究的重要基础,其中模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是柔直电网建模的难点。论文从MMC子模块的能量守恒性出发,通过对同一桥臂中N个子模块的动态特性平均化处理,建立了子模块的数学模型,从而可大幅降低模型维数。以此为基础,根据换流器拓扑结构,对各桥臂数学模型进行整合,形成直流侧数学模型,实现了对MMC直流侧动态特性的数学表达。仿真结果验证了所建立的数学模型的正确性,为后续的柔直电网控制策略研究、故障特性分析等奠定了理论基础。针对MMC拓扑结构复杂,电气节点数多,精确暂态仿真耗时长的突出问题,论文建立了基于戴维南等效电路的MMC等值仿真模型,并根据柔直电网故障暂态特性分析和保护原理研究的要求,与MMC详细仿真模型的暂态特性进行了详细对比,结果表明,采用等值仿真模型可在保持较高暂态仿真精度的同时,显著提升仿真速度,可较好满足柔直电网的暂态仿真要求。柔直电网换流器的控制策略和控制参数对电网的运行和故障特性有直接和重要的影响。论文从换流器控制系统数学模型出发,推导了交流侧电流、直流侧环流、直流电压和网侧功率的传递函数,按照快速性要求给出了电流内环和环流抑制的PI参数整定方法,按照跟随性和抗扰性的要求,提出了功率外环和直流电压外环的控制参数整定方法,从而为换流器控制参数的合理设置提供了方法指导。针对目前基于双序PI控制器的交流故障控制策略存在的结构复杂、控制器数量和控制参数过多的问题,提出了一种基于多频率准比例谐振控制器的新型交流故障控制策略。通过直接控制桥臂电流同时调节换流器的直流侧和交流侧电流,可在保证对交流侧故障的控制效果的前提下,有效简化换流器控制的上层结构,减少控制器数量和待调整的控制参数,便于工程应用。柔直电网的故障特性复杂,理论分析困难,目前主要以仿真和定性分析为主,难以满足继电保护原理研究和整定计算的要求。论文分别以交流电网故障和直流系统故障为背景,开展了柔直电网短路电流计算方法的理论研究工作。针对交流电网故障,以所建立的换流器数学模型为基础,并计及换流器故障控制策略和控制系统延时的影响,推导了换流器馈出短路电流的数学解析表达式,并据此建立了含柔直系统的交流电网短路电流计算模型;针对柔直电网故障,根据双端柔直系统短路电流解析方法,建立了含多端电源的柔直电网双极短路的RLC等效电路,并给出了双极短路的故障电流求解方程。仿真结果验证了所提出的短路电流计算方法的正确性。柔直电网输电线路发生故障后,短路电流具有幅值大、上升速度快的特点。此外,为了提高供电可靠性,需要正确检出故障线路,并进行有效隔离,从而对保护的速动性和选择性提出了很高要求。论文根据柔直电网输电线路的结构特点,以彼德逊法则为基础,针对双极短路和单极接地短路等不同故障类型,对直流线路的初始行波特性进行了理论分析。以此为基础,借鉴高压直流输电线路行波保护的应用经验,提出了基于电压反行波的柔直线路行波保护判据。数字仿真结果表明,所提出的保护判据具有动作速度快、选择性好的特点,可较好满足柔直电网线路主保护的应用要求。论文最后,对全文研究工作做了总结,并对下一步工作进行了展望。