级联U-Cell拓扑作为新型变流器拓扑,具有功率密度更高,多电平下造价更低,相同电平数下使用开关管数更少等优势。对于1140 V井下电网环境,应用级联U-Cell STATCOM占地面积更小,功率密度更高。有限集模型预测控制（FCS-MPC）作为新型计算机控制算法相较于传统控制算法具有更好的快速性,鲁棒性等优势,且基于价值函数易于添加约束,更能适应现代工业复杂工况。本文首先以五电平级联U-Cell拓扑为基础介绍了U-Cell拓扑的八种开关状态与工作原理,接着介绍星型连接五电平级联U-Cell STATCOM的拓扑结构,构建连续时域数学模型并介绍了其无功补偿原理。系统介绍了FCS-MPC级联UCell STATCOM中离散模型的建立,价值函数的设计,滚动寻优三个方面,并仿真验证了其正确性。针对FCS-MPC的系统延时问题,本文提出了提前拍优化算法进行两步预测来补偿延时并仿真验证了优化算法的有效性。同时针对多电平下FCS-MPC计算量大的问题对STATCOM控制目标进行划分提出了分层FCS-MPC算法并仿真验证了减少计算量的有效性。针对FCS-MPC各个控制周期无关联以致开关频率不固定,输出电流频谱分散等问题提出了一种基于开关管上升下降沿检测的周期控制价值函数以对开关管的通断时间进行约束,维持开关频率在给定频率附近,并通过仿真验证了周期控制价值函数定频的有效性与优越性。针对传统FCS-MPC所设置的价值函数通常是不满足Lyapunov稳定性这一问题,本文结合STATCOM控制目标设置了满足Lyapunov第二稳定性的标量函数,以对遍历寻优选择电压矢量的过程进行约束,并通过仿真验证了所设置的Lyapunov标量函数的正确性。最后,搭建了五电平级联U-Cell STATCOM硬件实验平台,对本文所采用的FCS-MPC控制策略及其优化策略进行实验验证,验证了所提提前拍策略,分层控制策略,周期控制价值函数定频策略,Lyapunov稳定函数的有效性。本论文图82幅,表12张,参考文献97篇。