CN103715930B - 一种提升柔性直流输电系统容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电（VSC‑HVDC）技术领域，具体涉及一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置。本发明通过在模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）桥臂中增加可产生负电压的全桥子模块（Full‑Bridge Sub Module，FBSM），平衡换流器输出直流电压的同时调节换流器交流输出电压，从而提升换流器的传输容量。此方法不对IGBT元件的通流能力提出更高的要求，从现有的工程技术出发，极大地优化了柔性直流输电技术在实际工程中的应用。

Description

一种提升柔性直流输电系统容量的方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电（VSC-HVDC）技术领域，具体涉及一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）由于其卓越的可控性和灵活性，近几年发展迅速。国外的ABB和Siemens两公司均已在柔性直流输电领域掌握了核心技术，我国也在2011年7月完成了亚洲首个柔性直流输电示范性工程。伴随着电力需求的增长和对系统稳定性的苛刻要求，柔性直流输电的工程应用必将不断增多。

对于远距离大容量输电，从经济角度讲，直流输电可以较大幅度地提高线路传输效率，并大幅度降低线路建设投资成本，优于交流输电。而传统直流输电天生存在换相失败的技术缺陷，为其在大容量输电上的应用埋下了隐患。作为新一代直流输电技术，柔性直流输电在克服传统直流输电技术缺陷的同时，又能实现对有功功率和无功功率的独立控制，开辟了直流输电领域的新篇章，但其传输容量却受限于基本器件单元——IGBT的极限性能上。但目前电力系统对高压大容量输电的需要又不断增长，因此亟待在现有器件极限性能的基础上，开发提升柔性直流输电换流器传输容量的新技术。

目前已投运的VSC-HVDC多采用两电平VSC或三电平VSC拓扑结构。两电平VSC存在的主要问题是过高开关频率带来的过高开关损耗、IGBT串联带来的静态、动态均压和电磁干扰。三电平VSC存在的主要问题为直流侧的均压和直流侧中性点存在的3次谐波电流影响。上述两种拓扑结构也给VSC的设计、布局及装配带来了极大的难度。模块化多电平换流器采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此在网侧不需要大容量交流滤波器；开关器件的开关频率低，开关损耗也就相应的减少；由于MMC拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，提高了故障穿越能力，因此得到了广泛推广。

目前用于柔性直流输电的模块化多电平换流器的子模块多采用半桥式拓扑结构。其核心单元——半桥式子模块（Half-Bridge Sub Module，HBSM）如图3所示，由两个带有反并联 二极管的可关断电力电子器件和一个电容器构成。u_sm为子模块输出电压，U₀为子模块直流侧电容电压。每个子模块都是两端元件，通过对两个开关器件T₁和T₂的控制，u_sm可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压U₀与0之间的切换。可知子模块可以输出的电压只有U₀和0两种电平状态。

赵成勇，李路遥等人的“一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑”（南方电网技术，2012，Vol.6，No.6）提及一种新型三电平子模块拓扑结构（如图4所示）。该子模块主要由三个IGBT和两个电容组成，相对于原来的半桥结构该子模块多了中间一个小型的H桥结构，此结构起到了一个双向开关的作用，当T₃导通时半桥中间的线路无论电流的方向如何都会处于导通状态。该拓扑子模块共有4种运行状态：（1）T₁，T₂，T₃均闭锁；（2）T₁开通，T₂和T₃均关断；（3）T₂开通，T₁和T₃均关断；（4）T₃开通，T₁和T₂均关断。可知子模块可以输出的电压值有三档，即2U₀，U₀，0。该方法通过一种新型的子模块拓扑结构，用一个由三个IGBT组成的三电平子模块实现了两个由4个IGBT构成的半桥式子模块的功能。

上述方法虽然可以在输出同样电平数的情况下减少IGBT的使用，但在器件电流和直流电缆电压使用到极限的情况下仍然无法提高换流器的传输容量，即传输容量仍然受制于IGBT的通流能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种提升柔性直流输电系统容量的方法，另一目的是提供一种提升柔性直流输电系统容量的装置，本发明通过在模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）桥臂中增加可产生负电压的全桥子模块（Full-Bridge Sub Module，FBSM），平衡换流器输出直流电压的同时调节换流器交流输出电压，从而提升换流器的传输容量。此方法不对IGBT元件的通流能力提出更高的要求，从现有的工程技术出发，极大地优化了柔性直流输电技术在实际工程中的应用。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种提升柔性直流输电系统容量的方法，其改进之处在于，所述方法在模块化多电平换流器每相的上下桥臂中串联全桥子模块，利用全桥子模块输出负电压的能力平衡模块化多电平换流器输出的直流电压，同时调节模块化多电平换流器的交流输出电压，提升模块化多电平换流器的传输容量。

进一步地，当要求模块化多电平换流器传输容量由S₁提高到S₂，即S₂＝k S₁，k＞1时，在模块化多电平换流器每桥臂中增加的全桥子模块的数量N用下式表示：

N＝-u_p2/U₀ ①；

其中：u_p2为容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点对应的相单元中上桥臂投入的全桥子模块数，u_n2为容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点对应的相单元中下桥臂投入的全桥子模块数；k＝S₂/S₁，即提升容量的倍数；U₀为模块化多电平换流器中子模块额定电压。

进一步地，其中u_p2和u_n2分别用下述表达式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{n2}=\frac{2U_{c\max 2}+U_{\mathrm{dc}}}{2}=\frac{(1+n)U_{\mathrm{dc}}}{2}\\ u_{p2}=\frac{U_{\mathrm{dc}}-2U_{c\max 2}}{2}=\frac{(1-n)U_{\mathrm{dc}}}{2}<0\end{array}\right.$ ②；

其中：U_cmax2为容量为S₂的模块化多电平换流器最高输出交流电压，其表达式如下：

U_cmax2＝nU_cmax1＝nU_dc/2 ③；

其中：U_dc为直流电压，n为容量为S₂的换流器最高输出交流电压与容量为S₁的换流器的最高输出电压之比，用下式表示：

$n=\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}}/\sqrt{\frac{{\left(\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}}\right)}^2+I_{\mathrm{dc}1}^2}{k^2}-I_{\mathrm{dc}1}^2}$ ④；

n与k的函数关系为：n＝f(k)；

其中：U_{ν 1}为容量为S₁模块化多电平换流器联接变压器阀侧额定电压；I_dc1为容量为S₁时的桥臂直流分量，表达式如下：

其中：为模块化多电平换流器的额定功率因数。

本发明基于另一目的提供的一种提升柔性直流输电系统容量的装置，所述装置包括电压源型模块化多电平换流器，所述电压源型模块化多电平换流器由三相六桥臂组成，每个桥臂 包括电抗器和子模块，所述每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与电网的变压器连接，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，其特征在于，在所述电压源型模块化多电平换流器每相的上下桥臂分别串联全桥子模块。

进一步地，所述全桥子模块包括四个IGBT模块及直流电容C，两两子模块串联后组成的串联支路并联，所述直流电容并联在两个串联支路之间；

每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，所述IGBT器件分别为T1、T2、T3和T4；续流二极管分别为D1、D2、D3和D4；所述T1与D1反并联组成IGBT模块I；所述T2与D2反并联组成IGBT模块II；所述T3与D3反并联组成IGBT模块III；所述T4与D4反并联组成IGBT模块IV。

进一步地，所述全桥子模块包括5种控制状态，分别为：1）闭锁状态，2）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀，3）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝-U₀，4）切出状态1：T2和T4开通，同时T1和T3关断；5）切出状态2：T1和T3开通，同时T2和T4关断。

进一步地，所述1）中，闭锁状态下全桥子模块运行情况如下：

在该状态下，所有IGBT器件均保持关断状态，该状态等效为两电平换流器的一相桥臂中的两个开关器件关断；定义电流流向直流电容C正极的方向为正方向，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₁和D₄向直流电容C充电；当电流反向流动，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₂和D₃将直流电容C放电。

2）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀时全桥子模块运行情况如下：

当IGBT器件T1和T4开通，同时T2和T3关断时，若电流正向流动，电流将通过续流二极管D₁和D₄流入电容，对直流电容C充电；若电流反向流动，电流将通过T1和T4为直流电容C放电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为正的电容电压，全桥子模块始终投入工作；

3）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝-U₀时全桥子模块运行情况如下：

当IGBT器件T2和T3开通，同时T1和T4关断时，若电流正向流动，电流将通过T2和T3为直流电容C放电；若电流反向流动，电流将通过续流二极管D₂和D₃流入直流电容C，对直流电容C充电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为负的电容电压，全桥子模块始终投入工作；

4）状态4和状态5：全桥子模块切出状态的运行情况如下：

当IGBT器件T2和T4开通，同时T1和T3关断或者T1和T3开通，同时T2和T4关 断时，若电流正向流通，电流将通过T2和D₄或者T3和D₁将全桥子模块的电容电压旁路；若电流反向流通，电流将通过T4和D₂或者T1和D₃将全桥子模块的电容电压旁路；不管电流方向如何，全桥子模块的输出电压均为零，切出状态相当于切出模块化多电平换流器的桥臂。

进一步地，由模块化多电平换流器的工作原理得到，模块化多电平换流器在运行中，包括：<1>保持上下桥臂电压和为直流电压U_dc，<2>调节上下桥臂的输出电压，使交流输出电压U_c为正弦波，由此得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_p+u_n=U_{\mathrm{dc}}\\ u_n-u_p=2U_c\end{array}\right.$ ⑥；

其中：u_p表示模块化多电平换流器其中一相上桥臂的桥臂电压；u_n表示模块化多电平换流器其中一相下桥臂的桥臂电压，在保持输出直流电压为U_dc的情况下提高交流输出电压U_c的值。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明通过在模块化多电平换流器桥臂中增加可产生负电压的全桥子模块，平衡换流器输出直流电压的同时调节换流器交流输出电压，从而提升换流器的传输容量。此方法不对IGBT元件的通流能力提出更高的要求，从现有的工程技术出发，极大地优化了柔性直流输电技术在实际工程中的应用。

2、本发明对器件的耐流能力和直流电缆额定电压没有提出更高的要求，可以在现有可关断器件和直流电缆技术水平下提高模块化多电平换流器的传输容量；

3、本发明可有效地提高换流阀交流出口电压值，进而提高换流阀的传输容量；

4、与具有相同传输容量的全部由全桥式子模块构成的模块化多电平换流器相比，具有更高的技术经济性。

附图说明

图1是本发明提供的全桥式子模块拓扑结构图；

图2是本发明提供的MMC运行原理图；

图3是现有技术的半桥式子模块拓扑结构图；

图4是现有技术的三电平子模块拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种提升柔性直流输电系统容量的方法，所述方法在不提高器件通流极限和直流电缆额定电压的条件下，在模块化多电平换流器每相的上下桥臂中串联全桥子模块，利用全桥子模块输出负电压的能力平衡模块化多电平换流器输出的直流电压同时调节模块化多电平换流器的交流输出电压，提升模块化多电平换流器的传输容量。所述柔性直流系统容量提升设计方法如下：

1、假设一半桥子模块拓扑的电压源型模块化多电平换流器的容量为S₁，直流电压为U_dc，子模块额定电压为U₀，换流器最高输出交流电压为U_cmax1＝U_dc/2，柔性直流输电系统联接变压器阀侧额定电压为U_{ν 1}，换流器的额定功率因数为则该换流器桥臂交流电流分量为：

$I_{\mathrm{ac}1}=\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}};$

桥臂直流分量为：

桥臂电流有效值为：

$I_{\mathrm{rms}1}=\sqrt{I_{\mathrm{ac}1}^2+I_{\mathrm{dc}1}^2}=\sqrt{{\left(\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}}\right)}^2+I_{\mathrm{dc}1}^2}.$

2、若要求在直流电压和桥臂电流有效值不变的条件下将换流器传输容量提高到S₂，S₂＝k S₁，k＞1时，假设此时的联接变压器阀侧额定电压为U_{ν 2}＝nU_{ν 1}，换流器额定功率因数 不变，因此桥臂直流电流必然增加为kI_dc1，为了保持桥臂电流有效值不变，桥臂交流分量必然减小，因此n＞k＞1。k＝S₂/S₁，即提升容量的倍数，n为变压器阀侧电压提高的倍数。此时模块化多电平换流器桥臂交流分量为：

$I_{\mathrm{ac}2}=\frac{S_2}{2\sqrt{3}{U}_{v2}}=\frac{k{S}_1}{2\sqrt{3}n{U}_{v1}};$

桥臂直流分量为：

桥臂电流有效值为：

$I_{\mathrm{rms}2}=\sqrt{I_{\mathrm{ac}2}^2+I_{\mathrm{dc}2}^2}=\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{kS}}_1}{2\sqrt{3}n{U}_{v1}}\right)}^2+{\left({\mathrm{kI}}_{\mathrm{dc}1}\right)}^2}=k\sqrt{\frac{1}{n^2}{\left(\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}}\right)}^2+I_{\mathrm{dc}1}^2}.$

3、若要求在桥臂电流有效值不变的情况下提升系统传输容量，即：

I_rms1＝I_rms2；

则：

$n=\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}}/\sqrt{\frac{{\left(\frac{S_1}{2\sqrt{3}{U}_{v1}}\right)}^2+I_{\mathrm{dc}1}^2}{k^2}-I_{\mathrm{dc}1}^2};$

令上述函数关系为n＝f(k)。

4、此时经过容量提升的换流系统的联接变阀侧额定电压为U_{ν 2}＝nU_{ν 1}，若要求换流器最大无功输出能力不变，则换流器最高输出交流电压也应提升为U_cmax2＝nU_cmax1＝nU_dc/2，则根据MMC工作原理：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{n2}-u_{p2}={2U}_{c\max 2}\\ u_{n2}+u_{p2}=U_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.;$

解得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{n2}=\frac{2U_{c\max 2}+U_{\mathrm{dc}}}{2}=\frac{(1+n)U_{\mathrm{dc}}}{2}\\ u_{p2}=\frac{U_{\mathrm{dc}}-2U_{c\max 2}}{2}=\frac{(1-n)U_{\mathrm{dc}}}{2}<0\end{array}\right.;$

其中：u_p2为容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点对应的相单元中上桥臂投入的全桥子模块数，u_n2为容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点对应的相单元中下桥臂投入的全桥子模块数；

5、在模块化多电平换流器每桥臂中增加的全桥子模块的数量N用下式表示：

N＝-u_p2/U₀；

即若要求换流器的传输容量由S₁提高到S₂，即S₂＝k S₁，k＞1时，则需要在模块化多电平换流器每桥臂中增加N＝-u_p2/U₀数量的全桥子模块。

本发明还提供一种提升柔性直流输电系统容量的装置，所述装置包括电压源型模块化多电平换流器，所述电压源型模块化多电平换流器由三相六桥臂组成，每个桥臂包括电抗器和子模块，所述每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与电网的变压器连接，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，其改进之处在于，在所述电压源型模块化多电平换流器每相的上下桥臂分别串联全桥子模块，全桥子模块的结构示意图如图1所示。

全桥子模块包括四个IGBT模块及直流电容C，两两子模块串联后组成的串联支路并联，所述直流电容并联在两个串联支路之间；每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，所述IGBT器件分别为T1、T2、T3和T4；续流二极管分别为D1、D2、D3和D4；所述T1与D1反并联组成IGBT模块I；所述T2与D2反并联组成IGBT模块II；所述T3与D3反并联组成IGBT模块III；所述T4与D4反并联组成IGBT模块IV。

全桥子模块包括5种控制状态，分别为：1）闭锁状态，2）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀，3）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝-U₀，4）切出状态1：T2和T4开通，同时T1和T3关断；5）切出状态2：T1和T3开通，同时T2和T4关断。

所述状态1）中，闭锁状态下全桥子模块运行情况如下：

在该状态下，所有IGBT器件均保持关断状态，该状态等效为两电平换流器的一相桥臂中的两个开关器件关断；定义电流流向直流电容C正极的方向为正方向，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₁和D₄向直流电容C充电；当电流反向流动，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₂和D₃将直流电容C放电。

2）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀时全桥子模块运行情况如下：

当IGBT器件T1和T4开通，同时T2和T3关断时，若电流正向流动，电流将通过续流二极管D₁和D₄流入电容，对直流电容C充电；若电流反向流动，电流将通过T1和T4为直流电容C放电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为正的电容电压，全桥子模块始终投入工作；

3）投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝-U₀时全桥子模块运行情况如下：

当IGBT器件T2和T3开通，同时T1和T4关断时，若电流正向流动，电流将通过T2和T3为直流电容C放电；若电流反向流动，电流将通过续流二极管D₂和D₃流入直流电容C，对直流电容C充电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为负的电容 电压，全桥子模块始终投入工作；

4）状态4和状态5：全桥子模块切出状态的运行情况如下：

当IGBT器件T2和T4开通，同时T1和T3关断或者T1和T3开通，同时T2和T4关断时，若电流正向流通，电流将通过T2和D₄或者T3和D₁将全桥子模块的电容电压旁路；若电流反向流通，电流将通过T4和D₂或者T1和D₃将全桥子模块的电容电压旁路；不管电流方向如何，全桥子模块的输出电压均为零，切出状态相当于切出模块化多电平换流器的桥臂。

如图2所示，由模块化多电平换流器的工作原理得到，模块化多电平换流器在运行中，包括：<1>保持上下桥臂电压和为直流电压U_dc，<2>调节图2中实线和虚线的相对长度，也就是上下桥臂输出电压，使交流输出电压U_c为正弦波，由此得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_p+u_n=U_{\mathrm{dc}}\\ u_n-u_p=2U_c\end{array}\right.$ ⑥；

其中：u_p表示模块化多电平换流器其中一相上桥臂的桥臂电压；u_n表示模块化多电平换流器其中一相下桥臂的桥臂电压，在保持输出直流电压为U_dc的情况下提高交流输出电压U_c的值。

本发明提供了在不提高器件通流极限和直流电缆额定电压的条件下，通过在半桥拓扑的模块化多电平换流器桥臂中增加一定数量的全桥子模块，提高换流器交流输出相电压峰值，进而提高换流器传输容量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种提升柔性直流输电系统容量的方法，其特征在于，所述方法在模块化多电平换流器每相的上下桥臂中串联全桥子模块，利用全桥子模块输出负电压的能力平衡模块化多电平换流器输出的直流电压，同时调节模块化多电平换流器的交流输出电压，提升模块化多电平换流器的传输容量；

当要求模块化多电平换流器传输容量由S₁提高到S₂，即S₂＝k S₁，k＞1时，在模块化多电平换流器每桥臂中增加的全桥子模块的数量N用下式表示：

N＝-u_p2/U₀ ①；

其中：u_p2为容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点时要求的上桥臂输出交流电压；k＝S₂/S₁，即提升容量的倍数；U₀为模块化多电平换流器中子模块额定电压；

其中容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点时要求的上桥臂输出交流电压u_p2和模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点时要求的下桥臂输出交流电压u_n2分别用下述表达式表示：

其中：U_cmax2为容量为S₂的模块化多电平换流器最高输出交流电压，其表达式如下：

U_cmax2＝nU_cmax1＝nU_dc/2 ③；

其中：U_dc为直流电压，n为容量为S₂的换流器最高输出交流电压与容量为S₁的换流器的最高输出电压之比，用下式表示：

n与k的函数关系为：n＝f(k)；

其中：U_v1为容量为S₁模块化多电平换流器联接变压器阀侧额定电压；I_dc1为容量为S₁时的桥臂直流分量，表达式如下：

其中：为模块化多电平换流器的额定功率因数；

所述方法用的装置为提升柔性直流输电系统容量的装置，所述装置包括电压源型模块化多电平换流器，所述电压源型模块化多电平换流器由三相六桥臂组成，每个桥臂包括电抗器和子模块，所述每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与电网的变压器连接，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，在所述电压源型模块化多电平换流器每相的上下桥臂分别串联全桥子模块；

所述全桥子模块包括四个IGBT模块及直流电容C，两两IGBT模块串联后组成的串联支路并联，所述直流电容并联在两个串联支路之间；

每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，所述IGBT器件分别为T1、T2、T3和T4；续流二极管分别为D1、D2、D3和D4；所述T1与D1反并联组成IGBT模块I；所述T2与D2反并联组成IGBT模块II；所述T3与D3反并联组成IGBT模块III；所述T4与D4反并联组成IGBT模块IV；

所述全桥子模块包括5种控制状态，分别为：1)闭锁状态，2)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀，3)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝-U₀，4)切出状态1：T2和T4开通，同时T1和T3关断；5)切出状态2：T1和T3开通，同时T2和T4关断；

所述1)中，闭锁状态下全桥子模块运行情况如下：

在该状态下，所有IGBT器件均保持关断状态，该状态等效为两电平换流器的一相桥臂中的两个开关器件关断；定义电流流向直流电容C正极的方向为正方向，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₁和D₄向直流电容C充电；当电流反向流动，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₂和D₃将直流电容C充电；

2)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀时全桥子模块运行情况如下：

当IGBT器件T1和T4开通，同时T2和T3关断时，若电流正向流动，电流将通过续流二极管D₁和D₄流入电容，对直流电容C充电；若电流反向流动，电流将通过T1和T4为直流电容C放电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为正的电容电压，全桥子模块始终投入工作；

3)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝-U₀时全桥子模块运行情况如下：

当IGBT器件T2和T3开通，同时T1和T4关断时，若电流正向流动，电流将通过T2和T3为直流电容C放电；若电流反向流动，电流将通过续流二极管D₂和D₃流入直流电容C，对直流电容C充电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为负的电容电压，全桥子模块始终投入工作；

4)状态4和状态5：全桥子模块切出状态的运行情况如下：

当IGBT器件T2和T4开通，同时T1和T3关断或者T1和T3开通，同时T2和T4关断时，若电流正向流通，电流将通过T2和D₄或者T3和D₁将全桥子模块的电容电压旁路；若电流反向流通，电流将通过T4和D₂或者T1和D₃将全桥子模块的电容电压旁路；不管电流方向如何，全桥子模块的输出电压均为零，切出状态相当于切出模块化多电平换流器的桥臂；

由模块化多电平换流器的工作原理得到，模块化多电平换流器在运行中，包括：<1>保持上下桥臂电压和为直流电压U_dc，<2>调节上下桥臂的输出电压，使交流输出电压U_c为正弦波，由此得到：

其中：u_p表示模块化多电平换流器其中一相上桥臂的桥臂电压；u_n表示模块化多电平换流器其中一相下桥臂的桥臂电压，在保持输出直流电压为U_dc的情况下提高交流输出电压U_c的值。