随着环境问题的加剧和传统化石能源的日渐枯竭,以风能、太阳能为代表的清洁能源正在被加速开发利用。而这些清洁能源的自然属性及其并网特性对传统交流电网产生显著冲击,由此直流输电和直流电网应运而生。与交流输电及传统直流输电相比,柔性直流输电控制灵活、无换相失败和无功补偿问题,由其发展成的多端柔性直流电网在新能源并网及输配方面更具优势。然而,柔性直流输电也有其固有缺陷,由于换流站具有电压源的特性,在直流侧发生短路故障时,换流站向故障点迅速放电,导致故障电流快速上升到极高的幅值。为了避免换流站内部脆弱的半导体器件损坏,换流元件将采取闭锁措施,这无疑会降低直流电网的供电可靠性;此外,较大的直流电流由于没有自然过零点而切除难度显著高于交流电流。以上问题使得多端柔性直流电网的保护系统面临巨大挑战,进而限制了其进一步的发展。针对多端柔性直流电网直流侧故障的特点以及保护系统面临的问题,一方面需要研究提出行之有效的故障限流措施,从而延迟或避免换流站的闭锁,为保护系统争取更长的时间;另一方面,需要研究灵敏可靠的柔性直流线路主后备保护方案,提出超高速的单端量保护原理以及快速的双端量保护原理。通过故障限流方法与保护原理的创新性研究,保障柔性直流电网的安全稳定运行。论文完成的主要工作及成果如下:(1)提出了一种多端柔性直流电网直流侧故障限流方法。首先设计了包含晶闸管、限流电阻和换相电容的限流电路拓扑;其次,分析了故障限流器的工作原理,给出了限流器的启动判据;此外,以避免直流侧故障时换流器的闭锁为目标,对限流器中各元件的参数进行了选择;最后,基于张北±500kV四端柔性直流电网参数,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了柔性直流电网模型和限流器模型,对故障限流器的限流效果进行了仿真验证。仿真结果显示,所设计的限流器可以有效降低直流侧的故障电流,避免了换流站的闭锁,提高了柔性直流电网的输电可靠性。(2)提出了一种基于单端量的多端柔性直流电网高速保护原理。首先,针对多端柔性直流电网的结构和故障暂态特性,构建了暂态等值模型,给出了直流侧发生区内故障、正向区外故障以及反向区外故障时的暂态电压解析表达式,分析了上述故障情形下的暂态电压首波特征差异;据此,构造了基于暂态电压首波时间的区内外故障识别判据,提出了基于正负极电流变化特征的故障极选择判据;最后,利用张北四端柔性直流电网仿真模型对单端量保护进行了测试,仿真结果表明,所提保护原理动作快速,基本不受故障位置、过渡电阻的影响。此外,保护判据的门槛值依据线路参数计算整定,有严格的理论基础,适应性更强。(3)提出了一种基于双端量的多端柔性直流电网快速保护原理。理论分析表明,发生区内故障时,直流线路两端限流电感电压极性相同,而发生区外故障时,直流线路两端限流电感电压极性相反。基于以上事实,本文构建了一种基于直流线路两端限流电感电压极性的双端量保护方法。发生单极接地故障时,为了避免线路间耦合作用导致非故障极的保护误动作,该双端量保护方法将限流电感的电压进行积分运算,通过积分值与门槛值的比较判别限流电感电压的极性。张北四端柔性直流电网仿真模型的测试结果表明,所提保护方法抗过渡电阻能力强,在具有绝对选择性的同时仍保持了快速性。(4)试制出了直流线路保护样机,进行了基于RTDS平台的闭环测试。基于所提单/双端量保护原理,分别编写了保护算法软件程序。利用天津凯发电气股份有限公司的直流监控终端硬件平台,试制出了直流线路保护样机。利用RTDS平台,搭建了两端柔性直流输电系统模型,构造了模型-样机-模型的闭环测试系统,测试分析了保护原理和样机的性能。实验结果表明,所开发的保护样机能够快速准确地识别各种区内外故障情形,验证了保护原理的有效性和样机的可行性。