核能、风能和太阳能等清洁能源的有效开发与利用是我国实现“双碳”目标的重要举措。超临界二氧化碳（Supercritical CO2,S-CO2）布雷顿循环具有布局简单、结构紧凑、安全性好及效率高等优点,被认为是新兴能源领域最具前景的能量转换系统之一。然而,在S-CO2循环中存在较为严重的冷端损失问题。因此,本文重点研究S-CO2循环的能量梯级利用与耦合方式,针对基于S-CO2循环的冷电系统集成和性能分析展开创新性研究。本文提出了一种由喷射式跨临界二氧化碳制冷循环与再压缩S-CO2循环耦合的新型冷电联产（combined cooling and power,CCP）系统,并对该CCP系统进行了详细的性能分析。在典型工况下,CCP系统的（火用）效率(ηex)和热效率分别为59.75%和57.93%,净功率和制冷量分别为10.42 MWe和4.07 MW,所需的单位产品总成本和投资回收年限分别为13.71$·GJ-1和1.93年。为了探究CCP系统性能的优越性,将其与常规冷电分产系统和喷射冷电分产系统进行了优化和对比分析。当蒸发温度为-20℃、-10℃和0℃时,CCP系统的（火用）效率分别比常规冷电分产系统高1.08%pt、0.80%pt和0.47%pt。相对于喷射冷电分产系统,CCP系统在较低的透平进口压力下具有更好的性能。针对常规CCP系统供能模式单一的问题,提出了两种基于S-CO2循环的多模式CCP系统。对两种参考CCP系统和改进的CCP系统就行了详细的参数分析和系统优化。改进的CCP系统在三种模式下的（火用）效率均要高于参考的CCP系统。当蒸发温度为0℃时,性能最优系统（由再压缩S-CO2循环和喷射式跨临界二氧化碳制冷循环耦合的多模式CCP系统,M-S系统）制冷量的可调范围为0～42.85MW,发电量的调节范围为0～11.56 MWe,ηex的变化范围为21.72%～64.01%,所需的单位产品总成本和投资回收年限分别为12.24～44.73$·GJ-1和1.70～5.16年。在多模式CCP系统中,系统的发电量影响其在冷电联产模式和全制冷模式下的性能。为了提高M-S系统在全发电模式下的热力学性能,探究了再压缩S-CO2循环在库存控制、透平进口温度控制、透平节流控制和旁通控制下的变工况性能,并提出了一种新型旁通控制（将高温回热器前的部分CO2旁通到低温回热器的出口）和一种由库存控制与新型旁通控制耦合的新型复合控制。当电负荷高于45%时,库存控制策略是最高效的控制策略。在40%电负荷下,系统在新型旁通控制下的热效率比常规旁通控制高6.67%。旁通控制可以有效地解决库存控制在低电负荷下压缩机处于喘振边界而无法进一步调节电负荷的问题。在0%～45%电负荷范围内,系统在新型复合控制策略下的热效率均高于同电负荷下参考复合控制策略的热效率,且最高可提升7.34%。