现代电网要求风力发电系统具备在电网电压跌落期间保持并网运行同时向电网提供功率支撑的低电压穿越能力。作为主流风电系统之一,双馈风电系统由于自身的结构特点而极易受到电网低电压故障的影响。因此,提高双馈风电系统低电压穿越能力对风能资源的进一步开发利用具有重要意义。电网故障下双馈风电系统在不同运行状态之间的切换现象使得其暂态特性更加复杂多变,表现出更为明显的非线性特征。本文因此采用切换系统理论完整刻画系统的状态切换,并设计先进的非线性控制策略改善其低电压穿越能力。首先分析了双馈风电系统在电网故障后的暂态特性,作为后续切换系统建模和低电压穿越策略设计研究的基础。通过详细分析双馈感应电机的电压、磁链、电流等物理量的暂态过程,得到了双馈风电系统过压、过流的形成机理以及暂态电流的变化规律。并通过仿真对比证明了暂态分析的正确性。为了完整地刻画双馈风电系统低电压穿越运行状态切换的过程,采用切换系统理论与能量观点相结合的方法,建立了具有端口受控哈密顿结构的双馈风电切换系统模型。根据系统控制策略和电路结构的变化,将系统的运行划分为不同模式。通过运行模式的切换来描述双馈风电系统在低电压穿越过程中的复杂动态;通过端口受控哈密顿结构来体现不同运行模式下系统能量的转换、消耗与交互的物理属性,并作为基于能量的无源非线性控制策略设计基础。为了改善双馈风电系统故障运行模式下的网侧控制性能,采用扰动抑制原理重新配置网侧能量成型控制的阻尼矩阵,实现在轻度故障模式下对变换器直流母线电压波动的抑制。通过改进网侧无功电流指令实现直流母线电容与网侧变换器向电网输出无功功率,从而在重度故障模式下对电机的无功消耗进行补偿。最后,为了实现双馈风电系统低电压穿越过程的安全平稳切换,结合事件驱动和逻辑控制两种切换规则,分别设计了不同运行模式间的切换控制,并采用多李雅普诺夫函数方法证明双馈风电切换系统的稳定性。仿真结果表明所设计的控制策略实现了双馈风电系统低电压穿越运行。