风能作为可再生能源的重要组成部分,不仅具有分布广泛、蕴含丰富以及用之不竭的天然优势,更具有最成熟、最具规模和商业化的开发前景和最清洁的利用方式,风能资源的发电、传输及消纳相关技术已成为电气工程领域世界性研究热点。而我国风电资源富集区域在地理上远离负荷中心,因此具有大规模接入、远距离外送形式的大型风电场成为我国风电消纳形式的必然选择之一。近年来大型风电场在我国得到了高速发展,其相关学术研究及工程实践也走在世界前列。然而在风电实现跨越式发展的同时,近年来频繁发生的多次风电连锁脱网事件暴露了大型风电场并网稳定性与故障抵御能力方面的诸多问题,引发了国内相关政府机构、工业界及学术界对如何提高风电场故障穿越能力的广泛关注及深刻思考,众多专家及学者也针对不同种类的风电机组提出了多种改进控制手段,以增强单机故障穿越能力的方式间接改善风电场对故障的抵御能力。但总体而言,这些手段多侧重于风电机组本身,为提升风电场的故障穿越能力,风电场整体的故障全局特性及其关键元件继电保护性能方面尚有较大可供挖掘及改善的余地。事实上,如果能在改进单机故障穿越能力的过程中计及风电场全局特性,并寻找合理的手段提高风电场内外关键区域保护的“四性”,对改善风电场的整体故障穿越能力、提高风电并网稳定性及可靠性有着至关重要的作用。为此,本文以大型集中式远距离外送风电场为研究对象,重点展开不同电压等级关键区域的继电保护及控制优化策略的研究,主要工作归纳如下：风电场低压区域双馈风机撬棒投切策略方面：对比现有两种常见的双馈风机撬棒保护投切策略异同及各自优缺点,借助径向基函数神经网络对撬棒投入与切除过程转子过电流的预测结果,提出了一种能够综合考虑对风机自身安全性以及提升风电场无功／电压水平的自适应撬棒投切策略,使得投入撬棒的双馈风机能够在保障自身转子侧变流器安全性的前提下尽早安全切除撬棒,为低电压期间的风电场提供无功支撑,最大限度避免场内无功资源的无谓损失。风电场中压区域相间短路电流保护选择性提升方面：推导并仿真研究了单一风电机组低电压期间定子电流的时频域特征,进而针对保护能够感受到的工频交流分量,深入研究了风机侧及网侧不同参数条件下风电集群馈出电流与集电线路电流保护的交互影响,并指出保护可能存在的误动风险：为应对这种风险,在传统电流保护中引入了正序电流突变量判据,提出了具有良好选择性的风电场集电线路电流保护新原理。风电场中压区域分区策略及单相接地故障快速在线定位方面：提出了新一代风电场中压集电线路区域的优化分区结构,并根据单相故障场景下各线路(段)首端故障相电流幅值呈现出的一般性规律,提出了基于优化分区结构及相电流有效能量循迹法的中压集电线路单相故障在线定位原理,使风电场能够一步到位地对中压区域的单相故障进行快速一次性选线／定位,适应架空线-电缆混联投运的实际工况且不依赖于难以在架空线路获取的零序电流;最后通过与传统配电网中常用定位方法的对比研究说明了采用所提出原理解决风电场单相故障问题的必要性。风电场外送高压联络线单相高阻故障快速切除方面：提出一种具备完整高阻接地故障识别能力的和阻抗继电器的改进形式；将上述继电器与传统距离纵联保护整合,形成一套风电场外送高压联络线全线无死区的单元式保护解决方案,并利用理论及仿真手段验证了其抗多种形式过渡电阻故障与分相跳闸的能力及其在考虑串补接入等特殊运行工况下的适应性。