城市电网是现代化城市建设中的重要基础设施,提高城市电网的供电质量与输电能力是城市电网发展的基本目标。模块化多电平级联变换器(modular multilevel cascaded converter,MMCC)是一类基于全控型电力电子器件、由功率模块级联构成的高压大容量电能变换装置的统称。MMCC可根据应用场合灵活组合成多种拓扑结构,直挂于中压母线处,具有占地面积小、损耗低、支持四象限运行等优点。本文围绕MMCC内特性及其在城市电网中的应用开展了如下研究:本文总结了MMCC内特性中的基本共性问题,即内部功率波动与环流。本文将MMCC拓扑结构等效为连通图形式,利用图论基本理论分析了MMCC共性问题的产生机理。在此基础上,提出了一种MMCC内特性通用分析方法,该方法可准确求得MMCC内部功率波动与环流的幅频特性,适用于不同拓扑结构、功率模块类型、输入/输出特性的各类MMCC。进而,针对MMCC环流问题,提出了一种通用环流抑制策略,该方法具有明确的物理意义,实现简单,并可以与支路能量均衡控制相结合。MMCC共性问题研究为其在城市电网中的应用提供了理论基础。敏感、非线性负荷的电能质量问题集中、综合治理可最大程度降低治理成本,是提高城市电网供电质量的关键技术手段之一。统一电能质量控制器(unified power quality conditioner,UPQC)为电能质量问题综合治理装置,本文提出了一种串并联混合型MMCC-UPQC拓扑结构,直挂于中高压母线处综合治理电能质量问题。本文提出的串并联混合型MMCC-UPQC将串联补偿电压作为并联补偿输出电压的一部分,因此所使用的模块数与开关器件数较传统高压大容量UPQC大大减小,进而增加了装置的功率密度,并具有较高的经济性。针对电压暂降问题,本文提出了一种协同无功注入式UPQC电压暂降补偿策略,最大程度的利用了装置电流容量,延长电压暂降补偿的持续时间。并且在考虑载流受限的前提下,确定了零有功功率注入补偿域及相应的换流器限流方式。最后,通过仿真对本文提出的串并联混合型MMCC-UPQC及电压暂降补偿策略进行了验证。在现有城市电网输电走廊的基础上,采用先进输配电技术提高输电线路容量为提高城市电网输电能力的关键技术手段。本文针对城市电网电缆输电系统,提出了一种基于三星型全桥(triple star bridge cell,TSBC)MMCC的低频输电系统。该系统在电缆线路的两端分别加装TSBC-MMCC实现工频-低频的电能变换,降低了电缆的工作频率,既可以减小电缆充电功率,提高线路输电能力,也可以较好的与现有交流设备兼容互联。本文着重分析了TSBC-MMCC的低频工作特性,推导了功率波动与内部环流的幅值、频率特性。在此基础上,定义了TSBC-MMCC低频工作下的特征环流,分析了相关参数对特征环流幅值特性的影响,推导得到了换流器受环流影响较小的工作区间。进而,本文建立了TSBC-MMCC数学模型,并设计了基于TSBC-MMCC的双端低频输电的四种运行模式,实现了灵活的潮流控制。最后,对基于TSBC-MMCC的低频输电系统进行了相关仿真验证。为实现对各类MMCC及其应用的全面、深入研究,本文研制了MMCC通用实验平台,主要包括三个组成部分,即主电路部分、系统级控制器及通用软件部分。平台的主电路部分以MMCC功率桥臂为基本单元,详细阐述了其参数计算方法、器件选型、桥臂主控制器构架设计等,并搭建了功率桥臂测试回路,以保证MMCC整体装配的可靠性。与此同时,本文以统一设计、分层运行的方式研制了MMCC系统级控制器,该控制器支持MMCC功率模块数大量扩展的需求。通用软件部分中,本文重点研究了MMCC通用实验平台的底层调制算法,提出了一种混合调制算法,实现了电平数较少下精准、高效的电压输出。最后,应用MMCC通用实验平台搭建了TSBC-MMCC物理样机,实现了灵活的四象限运行,并验证了通用实验平台的正确性及先进性。