双馈式风电机组（DFIG）因其优良特性和较低的成本，被广泛应用于风力发电系统中。DFIG转子侧通过背靠背变流器与电网相连，其结构和控制策略与常规同步电机电源存在显著差异，因此双馈风电系统的短路故障特性不同于常规系统。传统的发电机等值电路及故障分析方法不适用于含DFIG的电力系统，基于常规系统故障特征的传统继电保护原理用于DFIG接入系统中时可能存在适应性问题。因此，发展适用于含DFIG的电力系统的故障分析方法、考察当前风电接入系统的继电保护动作性能并针对保护适应性问题给出改进措施，对保证风电接入系统的安全可靠运行具有重要的意义。
本文以含DFIG的电力系统为研究对象，旨在计及DFIG的低电压穿越特性，从DFIG单机短路电流特性、DFIG单机序网等值电路建模、DFIG多机接入系统的短路计算等三个层面系统地研究含DFIG的电力系统故障分析方法；从DFIG分散式接入配电网的阶段式电流保护、DFIG集中式接入输电网的距离保护两个方面研究含DFIG的电力系统的继电保护问题。本文开展的工作如下：
1）认识DFIG单机短路电流特性是故障等值建模的基础。不同于常规同步系统供电电源，DFIG馈出的短路电流不仅与故障类型和机端电压跌落程度有关，还与其低电压穿越（LVRT）控制策略密切相关，具有多样性、阶段性的特点。本文全面考察了RSC不间断励磁控制、投入crowbar保护、RSC重启励磁控制这三种典型LVRT控制方式下的DFIG单机短路电流特性。首先采用磁链微分方程模型描述DFIG电磁暂态过程，提出一种简便的DFIG短路电流时域解析计算方法，进而根据所得解析表达式分析了DFIG短路电流各成分的时频变化特性与影响因素。研究结果表明，不同LVRT控制方式下DFIG的短路电流特性存在很大差异。另外，DFIG提供短路电流能力有限，投入crowbar保护后的DFIG短路电流不超过其额定电流的6倍，RSC励磁控制下的DFIG短路电流不超过额定电流的1.5倍。
2）为应用方便直观的电路方法对含DFIG的电力系统进行故障分析和短路计算，本文分别建立了三种LVRT控制方式下的DFIG序网等值电路模型。首先基于DFIG空间矢量数学模型，结合DFIG短路电流各成分的时频变化特性，推导了DFIG机端电压与对应电流分量间的关系，然后根据空间矢量与相量间的关系，形成DFIG相量等值电路，并进一步分析了各种LVRT控制方式下DFIG等值电路参数的特点。研究结果表明，不同控制方式下的DFIG故障等值模型不同，且无论DFIG处于何种LVRT控制方式下，其正、负序等值阻抗都不相等。
3）DFIG多机接入系统发生故障后，各DFIG机端电压不同，导致其采用的LVRT控制方式和短路计算模型不同。为此，本文提出了计及DFIG控制方式判断的DFIG多机接入系统短路电流计算方法。首先分析了含多台DFIG接入的辐射状电网的故障电压分布规律，发现当电网中某DFIG由RSC不间断励磁控制改为投crowbar控制方式后，其余DFIG机端电压会减小，从而变得更易发生转子侧电流越限；基于该特性提出了一种DFIG多机控制方式判断方法。然后针对故障叠加网络法不适用于DFIG接入系统的问题，根据故障后不同时段内DFIG故障等值模型的不同特点，分别给出了适用于故障初期和故障后期DFIG接入系统的短路计算程序框图。所提方法可用来求取不同时段内网络中各处短路电流的交流分量，为电流保护的整定计算提供参考依据。
4）含DFIG的配电网馈线短路电流分布会受到故障后DFIG运行方式的影响，本文提出了计及LVRT特性的DFIG接入配电网的电流保护整定原则。首先讨论了不同位置发生不同类型短路故障时DFIG的LVRT控制方式，进而分析了计及故障后DFIG控制方式的馈线短路电流分布特性；结果表明，DFIG接入配网后不会影响原网络馈线短路电流分布曲线的变化规律，而会对原短路电流分布曲线上各点的值有一定的影响。根据阶段式电流保护各段动作时限内DFIG接入配网的短路电流分布特性，分析了DFIG接入对原馈线电流保护动作性能的影响；结果表明，DFIG接入后可能导致原电流保护I段、II段越级误动。最后根据故障点所在线路的保护测得的短路电流最大、最小时分别对应的DFIG运行方式，给出了适用于含DFIG配电网馈线的电流保护I段、II段整定原则。
5）双馈风电系统有别于常规系统的故障特征，将造成传统保护方案可能不再适用。本文研究分析了双馈风电送出线路距离保护的适应性，并针对适应性问题给出改进措施。首先针对组成传统距离保护的距离元件、电流选相元件、方向元件，根据其基本工作原理以及双馈风电系统特殊的故障特征，分析了各保护元件在双馈风电送出线路中的适应性。研究结果表明，传统距离元件中仅时域全量距离元件不受双馈风电接入的影响，传统电流选相元件和正序故障分量方向元件不适用于双馈风电接入系统。针对传统电流选相元件和正序故障分量方向元件的适应性问题，利用双馈风电系统的故障特征，提出了一种改进的电流选相方法和一种新的故障方向判别方法。研究结果表明，改进的电流选相方法和新方向元件能够正确可靠地识别故障性质，解决了双馈风电送出线路的故障选相以及死区故障方向判别问题。