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以双馈型风电机组为代表的弱馈源大量接入电网给继电保护带来了巨大的挑战。本文以变速恒频双馈型弱馈源作为研究对象，在系统性分析双馈型弱馈源的特性、弱馈源并网对继电保护影响的基础之上，提出了以充分式保护思想为指导的新型保护思路，从而构造与风电并网系统相适应的保护方案，为电网安全提供坚实的防线，并为可再生能源的健康发展提供可靠保障。
弱馈源的等值模型与故障特性是继电保护原理开发与应用的基础。根据投撬棒保护和变流器控制两种故障穿越方式的不同，分别推导出了两种低电压穿越措施下双馈型弱馈源正、负序分量故障电流的表达式，明确了故障电流具有典型的不确定性特点。根据分析得出弱馈源在正序回路中的等值模型具有多态性，等效形式可以为阻抗、电压源或者电流源；在负序回路中的等值模型是与转速有关的恒定阻抗。弱馈源的故障电流不确定性、弱馈特性及等效模型的多态性将会对以电流保护为代表的传统继电保护带来影响。
研究了双馈型弱馈源整体作为虚拟阻抗的特性以及对常用的方向元件的影响。以正、负序故障分量来计算弱馈源的虚拟阻抗，得出负序虚拟阻抗特性与弱馈源的实际负序阻抗相同；而正序虚拟阻特性与实际的正序阻抗差异较大。具体表现为：负序虚拟阻抗具有阻感特性，相角在 45°~90°区间；正序虚拟阻抗因低电压穿越方式有所区别，投撬棒时具有负阻尼特性，相角波动较大且稳态时在-90°~-270°区间，变流器控制时相角可以在任意区间。分析了弱馈源的虚拟阻抗特性对多种方向元件性能的影响情况，得出正序方向元件、功率方向元件可能会误动，负序方向元件灵敏度可能会下降，零序方向元件不受影响。
从故障和扰动两个层面研究了双馈型弱馈源的输出频率特性。故障期间，投撬棒时双馈型弱馈源的谐波主要为转速频率分量，因转子侧衰减的直流励磁产生，衰减速度很快；变流器控制时，双馈型弱馈源的谐波主要为二次谐波和三次谐波，二次谐波是因定子侧直流分量通过控制器耦合产生，三次谐波是由负序分量通过控制器耦合产生。基于小扰动建模的方法，得出等效正序系统和等效负序系统之间具有耦合关系，耦合程度随d、q轴的等效阻抗差异增加而变大，序分量之间耦合效应是双馈型弱馈源多频率响应的根源。
提出了充分式保护思想来解决当前继电保护面临的挑战。通讯简单、信息无法获取、双馈型弱馈源特性复杂性等让基于“四性”的传统保护越来越难以实现，于是提出了充分式保护思想来应对这些困境。该思想最显著的特征是基于故障特征而不是基于故障类型，且具有优选性，充分性、准异步性等特点。本文分析了该保护思想应用于集电线路电流保护、集电线路方向判断以及配网差动保护中的可行性，得出该保护思想在信息缺失、信息不透明的风电系统中具有明显的优势。
基于熔断器特性这个已知的充分式条件，提出了集电线路充分式反时限保护方案。首先分析了当前集电线路阶段式电流保护存在的问题，I 段电流保护需要躲过下游熔断器的动作时间，导致电流保护的速动性变差，风电场多电源特性造成II段电流保护之间的选择性出现问题。基于已知的不同熔断器的特性曲线，根据不同区间各条熔断器的最小灵敏度曲线，并加上适当的协调时间利用最小二乘法对曲线进行拟合，然后形成上游集电线路保护的充分式反时限动作曲线。该方案能够保证集电线路间的选择性，并且能够有效提升集电线路保护的速动性，实现故障快速切除与系统对韧性电源需求的平衡，保证了风电场的安全。
基于故障分量电压包含的充分式故障特征，提出了采用优选制的集电线路故障判断方法。在介绍分形理论的基础上，提出根据故障分量电压的多重分形谱计算结果来定量描述故障信号中包含的暂态特征、稳态特征的凸显程度，并以此作为依据选择相应的保护方案。提出三种故障方向判别方法，基于弱馈特性的稳态法与基于极性特征的暂态法都是着眼于充分利用本线路的特征，在满足充分性故障特征条件下具有简单可靠的优点。灰色关联法在暂、稳态判断模糊时通过对各条线路的故障特征综合分析，克服单纯基于暂态和稳态特征的局限性以及本地信息量特征不充分的情况，提高故障方向判断的可靠性。
在分析了标积制动差动保护灵敏性与抗同步误差不能兼顾的原因基础之上，提出了制动角与幅值比成凹函数的充分式差动保护。当两侧电流幅值比较大时，制动角随幅值比的增加而显著增加且很大，重点改善抗同步误差能力；当两侧电流幅值比较小时，随幅值比的增加制动角增加较慢且很小，重点改善保护的灵敏性。本章提出利用风电电源的频率复杂性，将保护判据扩展到全频域，进一步提高区内故障的灵敏性。以采样序列组成的向量来计算幅值相角能够让采样时间窗任意调整，具有更好的灵活性。提出利用故障前电流作为参考计算故障后两侧电流的相角差，使得差动保护能够在准异步机制下运行，显著提高抗同步误差能力更加适合通讯薄弱的配网。
基于 MATLAB/Simulink 平台建立仿真模型，对双馈型弱馈源的电流特性、阻抗特性、频率特性、充分式反时限保护方案、故障方向判别方案及充分式差动保护方案等进行了验证，证明了所提的保护方案能够适应风电接入后的电网。
弱馈源的等值模型与故障特性是继电保护原理开发与应用的基础。根据投撬棒保护和变流器控制两种故障穿越方式的不同，分别推导出了两种低电压穿越措施下双馈型弱馈源正、负序分量故障电流的表达式，明确了故障电流具有典型的不确定性特点。根据分析得出弱馈源在正序回路中的等值模型具有多态性，等效形式可以为阻抗、电压源或者电流源；在负序回路中的等值模型是与转速有关的恒定阻抗。弱馈源的故障电流不确定性、弱馈特性及等效模型的多态性将会对以电流保护为代表的传统继电保护带来影响。
研究了双馈型弱馈源整体作为虚拟阻抗的特性以及对常用的方向元件的影响。以正、负序故障分量来计算弱馈源的虚拟阻抗，得出负序虚拟阻抗特性与弱馈源的实际负序阻抗相同；而正序虚拟阻特性与实际的正序阻抗差异较大。具体表现为：负序虚拟阻抗具有阻感特性，相角在 45°~90°区间；正序虚拟阻抗因低电压穿越方式有所区别，投撬棒时具有负阻尼特性，相角波动较大且稳态时在-90°~-270°区间，变流器控制时相角可以在任意区间。分析了弱馈源的虚拟阻抗特性对多种方向元件性能的影响情况，得出正序方向元件、功率方向元件可能会误动，负序方向元件灵敏度可能会下降，零序方向元件不受影响。
从故障和扰动两个层面研究了双馈型弱馈源的输出频率特性。故障期间，投撬棒时双馈型弱馈源的谐波主要为转速频率分量，因转子侧衰减的直流励磁产生，衰减速度很快；变流器控制时，双馈型弱馈源的谐波主要为二次谐波和三次谐波，二次谐波是因定子侧直流分量通过控制器耦合产生，三次谐波是由负序分量通过控制器耦合产生。基于小扰动建模的方法，得出等效正序系统和等效负序系统之间具有耦合关系，耦合程度随d、q轴的等效阻抗差异增加而变大，序分量之间耦合效应是双馈型弱馈源多频率响应的根源。
提出了充分式保护思想来解决当前继电保护面临的挑战。通讯简单、信息无法获取、双馈型弱馈源特性复杂性等让基于“四性”的传统保护越来越难以实现，于是提出了充分式保护思想来应对这些困境。该思想最显著的特征是基于故障特征而不是基于故障类型，且具有优选性，充分性、准异步性等特点。本文分析了该保护思想应用于集电线路电流保护、集电线路方向判断以及配网差动保护中的可行性，得出该保护思想在信息缺失、信息不透明的风电系统中具有明显的优势。
基于熔断器特性这个已知的充分式条件，提出了集电线路充分式反时限保护方案。首先分析了当前集电线路阶段式电流保护存在的问题，I 段电流保护需要躲过下游熔断器的动作时间，导致电流保护的速动性变差，风电场多电源特性造成II段电流保护之间的选择性出现问题。基于已知的不同熔断器的特性曲线，根据不同区间各条熔断器的最小灵敏度曲线，并加上适当的协调时间利用最小二乘法对曲线进行拟合，然后形成上游集电线路保护的充分式反时限动作曲线。该方案能够保证集电线路间的选择性，并且能够有效提升集电线路保护的速动性，实现故障快速切除与系统对韧性电源需求的平衡，保证了风电场的安全。
基于故障分量电压包含的充分式故障特征，提出了采用优选制的集电线路故障判断方法。在介绍分形理论的基础上，提出根据故障分量电压的多重分形谱计算结果来定量描述故障信号中包含的暂态特征、稳态特征的凸显程度，并以此作为依据选择相应的保护方案。提出三种故障方向判别方法，基于弱馈特性的稳态法与基于极性特征的暂态法都是着眼于充分利用本线路的特征，在满足充分性故障特征条件下具有简单可靠的优点。灰色关联法在暂、稳态判断模糊时通过对各条线路的故障特征综合分析，克服单纯基于暂态和稳态特征的局限性以及本地信息量特征不充分的情况，提高故障方向判断的可靠性。
在分析了标积制动差动保护灵敏性与抗同步误差不能兼顾的原因基础之上，提出了制动角与幅值比成凹函数的充分式差动保护。当两侧电流幅值比较大时，制动角随幅值比的增加而显著增加且很大，重点改善抗同步误差能力；当两侧电流幅值比较小时，随幅值比的增加制动角增加较慢且很小，重点改善保护的灵敏性。本章提出利用风电电源的频率复杂性，将保护判据扩展到全频域，进一步提高区内故障的灵敏性。以采样序列组成的向量来计算幅值相角能够让采样时间窗任意调整，具有更好的灵活性。提出利用故障前电流作为参考计算故障后两侧电流的相角差，使得差动保护能够在准异步机制下运行，显著提高抗同步误差能力更加适合通讯薄弱的配网。
基于 MATLAB/Simulink 平台建立仿真模型，对双馈型弱馈源的电流特性、阻抗特性、频率特性、充分式反时限保护方案、故障方向判别方案及充分式差动保护方案等进行了验证，证明了所提的保护方案能够适应风电接入后的电网。