随着化石能源枯竭和环境问题越来越严峻,作为一种可再生的清洁能源,风力发电近年来得到了迅猛的发展,已经成为世界上应用最广泛的的可再生能源之一。我国良好的风源地大都地处于偏远、远离负荷中心的地区,所建立的风电场与电力主干网的联接较弱,其电压等级多为中、低压等级,电网阻抗较大、短路容量较小,电网呈现弱电网特性。弱电网的频率和电压容易发生波动和不平衡,并且弱电网阻抗大、短路容量小的电气特性对风力发电并网系统的稳定运行提出了新的挑战。同时,风电场作为弱电网中重要甚至单一的功率源,维持弱同步电网公共连接点(point of common coupling, PCC)处电压和频率稳定成为风电场目前亟需解决的问题之一。为此,本文针对弱同步电网条件下的风力发电系统,从电网频率稳定和电压稳定的角度提出了含大型风电场的弱同步电网协调控制策略。首先,本文分析了弱电网的模型及特点,理论和仿真分析了不同并网风机类型、不同风电渗透率和不同电网强度等因素,对含大型风电场接入的弱电网频率稳定和电压稳定带来的影响。风电接入弱电网后,因其较小的惯量或隐藏惯量,风电机组无法有效响应系统频率的变化,不利于弱电网的频率稳定,且随着风电渗透率的增大对电网频率的影响更加显著。风电机组的无功补偿能力十分有限,难以对弱电网的电压稳定起到很好的调节控制作用,且含风电场的电网强度越弱,抵抗电压波动的能力越弱。第二,为了充分挖掘风电机组的频率和电压调节能力,本文对基于双馈感应发电机(doubly fed induction generator, DFIG)的风能转换系统(wind energy convention system, WECS)模型及其控制系统进行了线性化建模,并对DFIG风力发电机组的有功和无功调节能力进行了分析。针对含大型风电场的弱同步电网频率稳定问题,提出了一种基于模型预测控制(model predictive control, MPC)技术的风电机组多模型预测控制(multiple model predictive control, MMPC)调频控制策略。该控制策略根据风速条件设定预测模型库,采用超速与变桨协调的控制技术,能够在不同风速条件下协调控制桨距角与发电机转矩改变风电机组出力响应弱电网频率的变化,从而有效提升风电机组的频率调节能力。第三,针对弱同步电网的电压稳定问题,引入具备连续、快速无功补偿能力的静止同步补偿器(Static synchronous compensator, STATCOM)配合DFIG风电场实现无功补偿。然后,结合DFIG风电机组的MMPC调频控制技术,建立了中心控制系统。中心控制系统通过对风电场、补偿单元及并网系统的实时协调控制,实现了三者有功功率和无功功率平衡的目标。通过中心控制系统实时的有功-无功协调控制,可以保证在负荷波动和故障情况下风电机组不脱网并维持弱电网电压和频率的稳定。最后仿真分析表明,本文提出的控制策略可以有效提升弱电网的频率和电压稳定性。