风能作为一种可再生清洁能源,对于缓解世界能源短缺和环境恶化具有重要意义,近年来受到了世界各国的广泛重视。然而,与火电等常规的可控能源不同的是,风力发电的随机性和波动性较强,这使风机的并网控制设计难度大大增加。现代风机不总是工作在最大风能追踪模式,为了发展电网友好型风机,时常要弃风抑制出力波动。因此,根据不同的风况环境,研究全运行工况下的并网风机的单机功率调度跟踪控制策略,对提高风力发电系统的控制性能,提升风机经济效益和电网友好性具有重要意义。本文针对风力发电系统非线性强、运行工况范围大的特性,提出了基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的多模型增益调度控制理论框架。通过间隙测度理论划分运行工况点,在稳态工况点对非线性系统进行局部线性化,然后利用预测控制算法设计相应的局部控制器,采用插值法实现多模型增益调度控制,进而实现整个非线性系统的全局稳定控制。根据当前风况和风电场功率调度指令大小,将系统的运行状态分为正常发电工况和限电弃风工况。当风机处于正常发电工况时,在额定风速以下利用预测控制算法设计了一个转矩补偿控制器,改进了传统的最优转矩控制(Optimal Torque Control,OTC)策略,提高了暂态过程的风能利用效率。在额定风速以上采用MPC桨距角控制器替代PID控制器,优化了变桨过程中的机械载荷。在限电弃风工况下,提出了一种转速优先的变速变桨混合跟踪控制策略,最大限度的将风能转换为风轮的旋转动能储存起来,有效降低了弃风量。针对两种运行工况下的变速变桨过渡区间,本文设计了一个一阶惯性平滑切换策略,可以使过渡区间实现电磁转矩和功率平滑过渡。最后,基于 FAST(Fatigue Aerodynamics Structure Turbulence)风机软件仿真平台,通过在多种风速下进行仿真对比,表明本文所提出的单机功率调度跟踪控制策略具有良好的控制性能,可以有效降低运行过程中的机械载荷,并且可以实时响应风电场功率调度,具备电网友好性等优点,具有较高的工程应用价值。