大规模风电接入电网给电网安全运行和管理带来了较大的挑战。为此，新的电网规范要求风电机组应保证具备故障穿越（Fault ride through, FRT）能力。因此，研究风力发电故障穿越的问题具有重要的理论和实际意义，关系着风力发电进一步发展，是风力发电大规模并网运行的关键技术之一。在众多的风力发电拓扑结构中，由于双馈风电机组具有的诸多优点和良好的运行性能，其一直占据着世界风电市场的主要份额，是国际风力发电机组研制的主流技术之一。然而，和其他结构的机组相比，双馈感应电机（Doubly fed induction generator, DFIG）风电系统的故障穿越能力最具挑战性。主要是双馈感应电机定子绕组直接接入电网而导致的对电网故障尤其是电压故障特别敏感和有限的变换器容量造成的。因此，改善双馈风电机组故障期间的瞬态行为以满足现代电网所提的故障穿越要求正在成为广泛关注的焦点，具有重要的理论和实际意义。当双馈风电机组遭受对称电压跌落时，为满足双馈机组故障穿越要求需要解决的两个主要问题是双馈电机转子过电流和变换器直流母线过电压。而这直接威胁着变换器的安全和双馈机组的不间断并网运行。而当电网电压发生不对称跌落故障时，除了故障严重时出现过电流外，更多关注的是双馈电机输出有功无功以及电磁转矩中的二倍频振动问题和直流侧纹波问题。因此，本文针对上述热点问题进行了全面、深入、系统地研究，主要完成的工作和取得的成果为：1）基于空间矢量的表征，完成了双馈感应电机在两相αβ自然坐标系和dq同步旋转坐标系下的数学建模，及其转子侧和网侧变换器及其控制策略在同步坐标系下的建模。在电力系统专用仿真软件PSCAD/EMTDC的环境中，搭建了完整的更精确的双馈风力发电机组仿真平台，用于仿真验证所提故障穿越方案的有效性和可行性。2）利用定子（静止）坐标系下双馈异步电机的空间矢量数学模型，在不同程度和不同类型的电压跌落故障（不对称故障主要包括单相对地和两相短路故障）情况下，对双馈感应电机的瞬态行为（定子磁链瞬态、转子开路电压瞬态和转子电流瞬态）进行了具有一般意义的理论分析。尤其是对转子故障电流进行了更为详细的研究，考虑了不同频率电压分量在转子回路中造成的阻抗的差别以及转子侧变换器输出电压对转子故障电流的影响，推导出了转子故障电流在对称、不对称电压故障条件下的精确表达式，并通过仿真验证了该表达式的正确性，并讨论了影响转子故障电流表达式准确性的因素。通过这些简单明了地分析，揭示了制约双馈感应风力发电机故障穿越运行的机理，为双馈机组寻求合适的故障穿越方案奠定了理论基础。3）从控制策略的角度出发，基于转子侧变换器传统矢量控制技术，研究了不同电压前馈补偿项对双馈风电机组故障穿越能力的影响，并简化了前馈补偿项中瞬态磁链的评估方法，解决了考虑定子瞬态特性后需评估定子电阻的问题，而定子电阻的评估通常是很困难的。考虑到双馈异步电机具有的非线性特性，线性的控制策略在电压跌落时系统性能恶化的问题，研究了典型非线性控制策略——滞环控制器在改善双馈机组故障穿越性能方面的效果。事实上，从能量平衡的角度出发，故障期间双馈电机定转子过电流产生的原因是故障期间出现的能量不平衡造成的。因此，为了缓减故障期间能量的不平衡，从而提高双馈机组的故障穿越能力，研究了减载增速的双馈机组故障穿越方案。仿真验证了上述策略在改善双馈机组故障穿越能力方面具有的各自的特点和优势，这些策略均能够不同程度的提高双馈机组的穿越能力。最后，分析了变换器对双馈机组穿越能力的影响。4）研究了crowbar电路保护技术、主要包括不同旁路电阻对系统的影响评估以及阻值的优化，比较了crowbar电路不同控制策略对双馈机组故障穿越的影响以及crowbar电路保护技术存在的问题。针对双馈机组故障期间在crowbar电路保护下存在的过速问题，研究了基于紧急变桨和crowbar保护协调的故障穿越方案。为了彻底解决crowbar电路存在的电机失控问题，研究了包括转子串电阻保护和定子串电阻保护的保护技术。其中，评估了两种串联保护不同限流电阻对系统的影响，并比较了二者的优缺点。最后，提出了基于转子串电阻保护的联合双馈机组故障穿越解决方案，并通过仿真验证了该方案的有效性和可行性。5）研究了双馈风电机组基于动态电压恢复器的故障穿越方案。首先分析了动态电压恢复器应用中涉及的一般问题，其中包括拓扑结构、基本原理、补偿策略等。并针对动态电压恢复器在双馈机组中应用的特殊性，选择了合适的拓扑结构和补偿策略、分析了主回路的主要参数的确定方法，最后，通过仿真验证了在动态电压恢复器的保护下双馈机组成功穿越全电压故障（包括低压、零压、高压、单相对地以及两相对地故障）及其改善双馈机组瞬态性能的能力。