本文主要研究对象是应用于煤矿井下静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM),其基于新型拓扑级联U-Cell结构,采用模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方式。级联U-Cell拓扑形式的STATCOM开关器件数少,总体损耗低,功率密度高。在要求防爆,占地面积小的煤矿井下更具有研究与应用价值。近年来,随着微处理器高速发展,模型预测控制方案具有明朗的应用前景。首先,本文对级联U-Cell的拓扑结构进行详细地介绍,并分析五电平级联U-Cell拓扑开关状态和工作原理。建立级联U-Cell STATCOM数学模型,并对系统的滤波电感和直流侧电容进行参数设计。对模型预测控制原理进行说明分析,利用前向差分法对数学模型离散化并推导出其预测模型,并设计模型预测控制的参考给定环节与价值函数。通过MATLAB/Simulink建立仿真模型,验证分析模型预测控制对STATCOM的电流跟踪和电容电压的平衡有效控制。其次,分析模型预测控制算法的计算延时的影响,采用提前一拍预测来补偿延时,并通过仿真验证提前拍延时补偿的有效性。该补偿方案前提是在一个控制周期内完成模型预测控制算法的计算,然而采用传统遍历预测的方式无法在一个控制周期内完成计算,因此如何减小算法的运算时间是一个亟需解决问题。为此在预测算法中根据控制目标的优先级来分层次计算,从而达到降低计算时间目的。在分层模型预测控制(Hierarchical MPC,H-MPC)中,分为电流跟踪,相间电容电压平衡,相内电容平衡三个层次。在电流跟踪层次可以进一步优化算法,提出邻近矢量寻优分层模型预测控制(Adjacent Vector Searching Hierarchical MPC,AVSH-MPC)方案。该方案通过基于上一时刻的电压矢量进行搜索,从而减少计算量,在稳态过程的计算量减少更为明显。最后,搭建五电平级联U-Cell STATCOM硬件实验平台,详细分析硬件结构的各个部分并设计软件程序算法。对本文所采用的模型预测控制方案及其算法优化措施进行实验验证,实验结果验证应用模型预测控制策略的可行性以及延时补偿与算法优化的有效性。本论文图65幅,表9张,参考文献98篇。