双馈风电机组对电网的依赖性、风电功率的随机波动,以及风电场内调节特性各异的设备叠加,使得风电场的无功电压协调控制问题面临严峻挑战。本文结合模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)在处理复杂系统模型、不确定性以及控制约束等问题时的优势,在分析、探讨多种无功补偿设备对电压影响规律和MPC理论的基础上,将MPC应用于风电场并网点电压控制,以实现风电场过程化电压控制。本文主要工作和成果如下:针对弱连接并网风电场无功电压调节中电压支撑能力较弱且易受风功率波动影响的问题,提出一种基于多时间级垂直分层思想与MPC理论相结合的风电场无功电压分层协调控制策略。首先,在自适应调节层,依据风电场调节能力与并网点电压波动轨迹预测,提出一种并网点电压自适应调节策略。其次,在无功分配层,求解无功需求容量,并给出一种可考虑各机组无功调节裕度的改进比例分配策略。最后,在跟踪控制层,依据状态预测与参考、反馈信息实时修正控制误差。通过分层MPC,各层内不同时间级的预测信息可被高效利用,各层间不同时间尺度的控制亦可得到有效协调。针对风电并网点电压易受到风功率随机波动影响的问题,提出了一种基于随机模型预测控制(stochastic model predictive control,SMPC)的风电并网电压分层协调控制策略。在上控制层中,有载调压变压器和电容器被协调控制,用以应对长时间尺度下风功率波动引起的电压波动;在下控制层中,短时间尺度下的电压波动通过调整静止无功发生器(static var generator,SVG)与风电机组的连续无功出力得以解决。通过垂直分层,各层内可分别实施SMPC以应对不同时间尺度的波动;各层间的连续、离散性无功补偿设备亦可得到有效协调。此外,提出一种风电机组与SVG间的无功置换方法,使SVG拥有了应对未来时刻潜在电压波动的较多快速无功储备。为解决风电集群区域范围内各风场并网点电压受风功率随机波动影响的问题,本文提出了一种基于随机模型预测控制的风电场群分布式两层电压协调控制策略。在上层控制中,有载调压变压器,电容/电感被协调控制,用以应对长时间尺度下风功率波动引起的电压波动;在下层控制中,每个风场单独构成一个控制区域,优化控制场内各风机无功输出;相邻风场之间交互秒级风功率预测信息以及无功功率等信息,基于交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)的分布式优化算法在短时间尺度协调各风场无功输出。以有9个风电场的风电集群区域为例,验证了所提控制策略在稳态条件下的有效性,同时测试了该策略对通信链路失效时的鲁棒性以及即插即用能力。