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随着柔性直流输电技术的发展,多端直流与直流电网是目前学术研究的热点和直流输电工程建设的重要方向。基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的直流电网可以有效缓解我国大规模新能源并网与消纳的迫切需求,然而直流电网存在新的技术难点需要解决,主要难点之一就是缺乏成熟的故障检测与保护策略。由于直流电网阻尼小且极间短路故障发展速度快,所以对故障隔离速度的要求远高于交流系统,一般需要在5ms之内将故障有效隔离;同时直流故障电流不存在自然过零点,造成故障电流分断难度远大于交流系统,因此如何设计适用于直流电网极间短路故障穿越的有效方案具有较大挑战。论文针对直流电网极间短路故障穿越的挑战,主要从以下几个方面对故障保护策略进行研究:(1)针对非选择性故障处理策略,从源侧的角度,主要研究通过闭锁换流器的方式处理直流故障,提出了一种低损耗且具备直流故障穿越能力的新型MMC子模块拓扑。分析了基于所提子模块的直流故障穿越原理并设计了相应的故障穿越策略,并从成本、运行损耗角度将所提拓扑与现有子模块拓扑进行了对比分析,所提子模块的器件使用量为现有同类子模块的最低水平,且在正常运行时电流通路中的IGBT和二极管数量低于现有同类MMC子模块,从而降低了运行损耗。针对所提方案的仿真结果显示该子模块可以通过闭锁迅速阻断故障放电通路。(2)对于选择性故障处理策略,从网侧的角度,对混合式直流断路器(Direct Current Circuit Breaker,DCCB)的组成结构和运行原理展开了研究,针对直流电网故障检测延迟及混合式DCCB在故障处理速度方面的挑战,提出了往复式限流DCCB方案,并详细分析了所提方案的工作原理;设计了故障穿越策略:在正常运行时对外呈现低电抗值,在故障下可以通过限流操作迅速增大电抗值以起到限流作用,可以在疑似故障时启用限流操作,等故障信号明确之后采取断路操作。该策略的特点是一方面可以防止故障电流迅速增大,避免电网中换流器闭锁停运;另一方面可以允许较长的故障检测时间,防止误动作。最后针对仅需故障限流的场合,对电流通路以及器件使用量进行了优化,设计了低成本往复式故障限流器。(3)对于选择性故障处理策略,主要从源侧与网侧配合的角度展开研究:考虑到故障电流转移是快速机械开关(Ultra Fast Disconnector,UFD)分断的必要条件,现有混合式DCCB方案的故障电流转移支路成本占比较高,且每条线路都要独立配置,造成了现有混合式DCCB方案造价较高。针对这一问题,设计了基于晶闸管和电容器组的双电流转移支路故障穿越方案,对故障点近端MMC换流器、双故障电流转移支路、剩余电流泄放开关(Residual Current Discharging Switch,RCDS)支路的协调控制展开了研究并设计了相应的控制策略,以创造UFD分断故障线路的电气条件,由于该方案允许与同一直流母线相连的多条线路共享故障电流转移支路,从而可以降低投资成本,提高资源利用率。(4)对于选择性故障处理策略,从源侧与网侧配合的角度,设计了基于半桥型MMC的辅助故障电流转移策略,重点研究了将换流器作为故障电流转移支路的控制策略,以省去故障电流转移支路,从而进一步降低投资成本。针对直流线路上负荷转移开关(Load Commutation Switch,LCS)中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的通态损耗问题,研究了低损耗故障穿越优化方案,省去了 LCS中的IGBT;针对直流电网故障发生后健全线路及换流器出现的功率波动问题,设计了含往复式故障限流器的协调故障穿越方案,以降低选择性分断故障线路时电网健全部分的功率波动。