CN102126438A - 牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法，属于铁路运输设备和电力电子技术领域；该装置包括两相“背靠背”式变流器组，三个位置传感器；两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的两台单相变流器组V_a和V_b.以及分别与两台单相变流器组V_a和V_b交流侧相连的两台单相降压变压器组T_a和T_b构成，或与一台单相变流器组V_a或V_b交流侧相连的一台单相降压变压器组T_a或T_b，还包括三个电气量传感器，断路器开关，可控投切开关和主控制器。该装置可在两种模式下工作，实现电力机车无断电带载通过分相。具有的有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿功能，能够解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。

Description

牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法

技术领域

本发明属于铁路运输设备和电力电子技术领域，尤其涉及一种可同时实现电力机车无断电带载自动通过交流牵引网电分相环节和牵引变电站电能质量综合补偿的装置。

背景技术

与其他大多数国家一样，中国电气化铁路供电系统采用单相工频交流供电模式，其中牵引供电系统实行分段受流、轮换相序的接入方式，用以减轻大容量的单相不平衡牵引负荷对电力系统造成的严重负序影响。为防止不同相间短路，各相间需采取空气或绝缘物分割，形成所谓“电分相”环节，电分相中的无电区称为“分相段”或“中性段”。当电力机车带载直接通过接触网电分相时，受电弓划过相邻两相的绝缘区段时会产生拉弧现象，严重的将烧毁接触网，造成重大事故，必须采用一定的过分相技术完成这一过程。传统上采用的人工操作过电分相方式，存在着机车断电时间长、列车失速严重(尤其是在高坡重载区段)等缺点，而且行车安全依赖于机车司机的注意力和技术水平，针对高速电力机车其误操作率将显著提高，于行驶安全极为不利，被自动过分相技术取代已是必然。现有自动过分相技术方案主要包括地面开关自动切换方案和车上自动控制断电方案两大类，较之于人工操作方式，采用自动过分相技术可使电力机车通过电分相期间的失电时间明显减少，同时还避免了人为误操作等造成的过分相故障。

尽管如此，自动过电分相技术在实现机车通过电分相中性段时，电力机车都必须经历一个从有电到无电，再到有电的过程。以地面开关自动切换方案为例，其工作原理如图1所示：在没有电力机车通过电分相时，地面开关切换过分相装置处于初始状态，地面上的真空断路器S₁闭合，真空断路器S₂断开，电中性段3与牵引供电臂1的电压相同；当机车由牵引供电臂1通过绝缘锚段关节MD_a驶入中性段3区间，位置传感器8检测到并发出指令使真空开关S₁分断开，此刻中性段3为无电状态，待S₁完全关闭后再令S₂闭合，电中性段3与牵引供电臂2的电压相同，列车安全通过绝缘锚段关节MD_b；当位置传感器9检测到机车完全驶入牵引供电臂2区间后，发出指令使真空开关S₂断开，S₁闭合，使之恢复到初始状态。而车上自动断电方案，则是依靠机车在收到分相预告信号后，封锁机车触发脉冲并断开车载主断路器，使机车惰性通过电中性段的无电区；在通过无电区后，检测到过分相的信号，并自动检测到牵引网压从无到有的跳变后，再闭合住断路器，自起劈相机，顺序启动辅机，然后加载电机电流。

这一系列“断电-复电”的操作，将引起电力机车供电系统出现不同程度和不同类型的过电压和涌流等暂态过程，严重的将造成机车保护动作、变电所跳闸、辅机过流等故障，甚至影响到电气化铁路的安全运行。如日本新干线曾经检测到过电压最高为90.8kV的合闸过电压，振荡频率范围在6～34kHz，过高电压可引起车顶绝缘间隙击穿，形成铁路供电系统的对地短路，造成变电所经常跳闸，严重影响机车的正常运行。此外，实测表明电力机车通过电分相环节的合闸涌流最大可达机车额定电流的9.5倍。尽管通过将机车指令电流限定为零，待其通过电分相后再控制电流上升率的方式能够一定程度地抑制合闸浪涌，但重新启动机车的延时会达6s以上，这对高速电力机车的运行速度有很大的影响，据估算在中国京沪高铁仅由电力机车通过电分相而造成的全程运行时间损失将可达半小时以上。由此可见，牵引供电系统中电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行，至今尚无对症良药，寻找新的解决方案势在必行。

此外，由于牵引供电系统对于电力系统而言还具有三相分布不对称性、冲击性、非线性等特点，随着牵引负荷的大幅增长，在中国现行电网条件下包括负序、无功和谐波等潮流在内的电能质量问题正日显突出，已成为影响中国电力系统和电铁负荷安全稳定运行的重要因素。借鉴国外电铁工程应用经验，采用动态补偿技术对牵引变电站进行负序、无功和谐波等潮流综合补偿已成为解决牵引供电系统电能质量问题的重要治理手段。动态补偿技术克服了传统电铁电能质量治理措施普遍存在的治理目标单一、对大范围波动的牵引负荷适应性差的缺点，其中以静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)装置为代表的动态补偿技术更是在技术手段和补偿性能等方面表现出较明显的优势和应用前景。在针对牵引供电系统电能质量综合补偿的若干STATCOM技术方案中，一种基于两相式STATCOM装置的牵引变电站补偿技术已引起研究者越来越多的重视(详见参考文献：Uzuka T，Ikedo S，Ueda K.A static voltage fluctuation compensator for AC electricrailway.Proceedings of IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference，2004，3：1869-1873)。如参考文献所述，两相式STATCOM装置采用两相“背靠背”式连接的变流器组结构，如图2所示，装置左右两侧各包括2台相同结构的单相电压源变流器V_a1、V_a2和V_b1、V_b2。单相电压源变流器采用基于IGCT器件的3电平单相H桥结构，每台单相电压源变流器包括2个桥臂和2个由电容串联而成的电容器组(电容器组如图2中C₁、C₂，C₃，C₄，C₅、C₆，C₇、C₈所示)。4台电压源变流器的直流侧母线正极全部引出并相连接于点P，直流侧母线负极全部引出并相连接于点N，中性点全部引出相连于点C。直流电容器组C₁、C₂，C₃，C₄，C₅、C₆，C₇、C₈额定电压为3kV×2，IGCT规格为6kV/6kA。两相式STATCOM装置交流侧各采用1台串联2重化变压器T_a和T_b，用以实现电压、电流匹配并降低输出电压谐波，单个IGCT开关频率为450Hz，等效开关频率约3600kHz，装置设计规格为20MVA/60kV(5MVA×2串×2相)。

采用这种两相式STATCOM装置在牵引变电站的应用连接方式如图3所示，两相式STATCOM装置一侧输出端子为x、y，另一侧端子为z、w。端子x经断路器BK_a接入牵引供电臂1，端子z经断路器BK_b接入牵引供电臂2，两个端子y和w则均接入接地导轨。牵引供电臂1、电分相中性段3和牵引供电臂2相对应的下方地面上设置位置传感器7、8、9。

两相式STATCOM装置针对牵引变电站电能质量控制过程描述如下：首先STATCOM装置控制其共用的直流侧电容C电压，使之维持在一定的水平；然后检测并比较牵引供电臂1和牵引供电臂2上牵引负荷的有功功率大小，并通过共用直流侧电容器C使有功功率P_c在“背靠背”连接的两组变流器V_a、V_b之间实现转移。当STATCOM装置容量足够时可使两侧牵引供电臂1和2的负荷有功功率相互平衡。此外，“背靠背”连接的两侧变流器V_a和V_b可分别独立地对两侧供电臂补偿无功功率Q_c1和Q_c2，以及补偿谐波电流i_ch1和i_ch2。

根据以上所述两相式STATCOM拓扑结构和工作过程可知，装置仅与电分相两侧的牵引供电臂1、2分别相连，未接入电分相中性段3，因此仅能针对负序、无功和谐波潮流以及由此引起的电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题的治理。电力机车在通过电分相时仍需要另外增加专门的地面开关自动切换过分相设备或采用车上自动断电控制方案。而且这些方式均不可避免地使机车存在一个“断电-复电”的过程，由此产生的一系列过渡过程并形成暂态危害，严重制约了电铁的高速、可靠运行。

综上所述，客观上需要在中国现有牵引供电模式基础上研制一种既能解决高速电力机车自动通过分相存在的一系列暂态危害，同时又能实现牵引变电站电能质量综合补偿的新型牵引供电设备，从而全面适应高速、重载列车对牵引供电系统的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置(牵引网电分相UFCC，Uninterruptible Flexible Connector & Compensator，以下简称UFCC装置)及其方法，本发明既能够自动实现电力机车无断电满功率通过电分相，又能实现牵引变电站电能质量综合补偿。

本发明要解决的技术问题之一，是自动实现电力机车无断电满功率通过电分相环节，使机车在通过电分相期间能够始终无断电地以额定牵引功率全速运行或以额定功率运行于再生制动状态。机车通过电分相期间无需分合主断路器、无拉弧、无截留过电压、谐振过电压、合闸过电压，电压互感器无饱和，同时机车主、辅助供电系统均不断电，主变压器和辅助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，确保电力机车安全、可靠、高速通过电分相。本发明要解决的技术问题之二，是在没有电力机车通过电分相环节期间，提供针对牵引变电站负序、无功和谐波等潮流的综合补偿，用以抑制牵引变电站三相电压不平衡和三相电压波动、实现动态无功补偿和谐波补偿、稳定牵引网电压和提高电气化铁路运能等。

为实施上述目的，本发明提出的UFCC装置，该装置包括两相“背靠背”式变流器组，三个位置传感器；其特征在于，所述两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组V_a和V_b，以及分别与两台单相变流器组V_a和V_b交流侧相连的两台单相降压变压器组T_a和T_b构成，或与一台单相变流器组V_a或V_b交流侧相连的一台单相降压变压器组T_a或T_b，还包括三个电气量传感器，由开关BK_a、BK_m、BK_b组成的断路器开关，可控投切开关和主控制器；所述两相“背靠背”式变流器组的一侧输出端子为x、y，另一侧输出端子为z、w；从所述输出端子x分别引出两条支路，其中一条支路与可控投切开关的下端口相连，可控投切开关的上端口与开关BK_a的下端口串联，BK_a的上端口为输出端子l；从端子x引出的另一条支路与开关BK_m的下端口串联，BK_m的上端口为输出端子m；所述输出端子z与开关BK_b的下端口串联，BK_b的上端口为输出端子r；

第一电气量传感器安装在开关BK_a下端口，第二电气量传感器安装在开关BK_m下端口，第三电气量传感器安装在开关BK_b下端口；

第一和第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置传感器安装在电分相中性段中间位置的下方地面；

所述主控制器具有6个信号输入端口和4个信号输出端口，主控制器的6个信号输入端口与所述3个电气量传感器和3个位置传感器分别采用信号线相连接；主控制器的4个信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组V_a和V_b的控制信号端口相连接；

所述的主控制器用于实时检测来自三个电气量传感器的电气信号以及来自三个位置传感器的位置信号；产生对所述两相“背靠背”式变流器组的控制信号，以及产生对可控投切开关的投切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当没有电力机车通过牵引变电站电分相时，使该装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式，当有电力机车即将通过牵引变电站电分相时，使该装置进入无断电柔性过分相模式，实现电力机车无断电带载通过分相。

本发明还提出一种采用上述装置的牵引网电分相无断电柔性连接-补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)所述装置准备投入运行之前，主控制器使该装置处于待机状态，然后发送控制信号，使断路器开关的三个开关全部闭合，装置并网；

2)主控制器实时监测各测量信号，当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位置信号时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器控制该装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式；

3)当主控制器接收来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时，表明当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制装置退出电能质量综合补偿模式，使装置运行于无断电柔性过分相模式；

4)主控制器再次检测到第二位置传感器或第一位置传感器发送的位置信号时，表明电力机车已完全通过中性段，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂；主控制器将全部控制脉冲信号闭锁，使装置处于待机状态，随即发出控制信号令可控投切开关闭合，主控制器则控制该装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合综合补偿模式。

本发明的特点及有益效果如下：

本发明利用变频移相技术在几百个工频周波内连续改变电分相中性段的电压相位，柔性实现中性段电压无断电的相位变化，是本发明的关键创新点之一。仅通过一只可控投切开关和相应的控制，可实现UFCC装置在两种工作模式之间的切换，是本发明关键创新点之二。

由于每台电力机车无断电通过分相模式持续时间通常不超过10s，除此之外的绝大部分时间UFCC装置均运行在对牵引变电站的电能质量综合补偿模式，因此对于通过长时间考核获得的牵引变电站电能质量概率指标而言，UFCC的补偿效果并不受短时的过分相模式影响。较之传统单纯以电能质量为补偿目标的动态补偿装置，本发明仅通过增加少量硬件设备，在实现电能质量综合补偿的同时还使电力机车实现了无断电过分相，大大提高了UFCC装置的性价比。UFCC装置中可控投切开关始终在无载条件下进行闭合或分断操作，相比较地面开关自动过分相技术，无需采用真空开关进行带载投切，可显著降低选用开关的成本，延长开关使用寿命。

UFCC装置能够保证高速电力机车在通过电分相的全过程中，始终无断电地以额定牵引功率全速运行或以额定功率运行于再生制动状态，避免了在传统人工过分相或各种已有自动过分相技术中存在的对机车供电系统“断电-复电”的操作，因而克服了在由此对机车供电系统形成的一系列暂态危害。电力机车在通过电分相期间无需分合主断路器、无拉弧、无截留过电压、谐振过电压、合闸过电压，电压互感器无饱和。同时，机车的主、辅助供电系统均不断电，主变压器和辅助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，尤其适于高速、重载列车以及在复杂地形条件的牵引供电要求，确保电力机车安全、可靠、高速通过电分相。

本发明装置运行于电能质量综合补偿模式时，具有牵引供电臂间有功功率转移、无功功率和谐波电流补偿的功能，能有效解决牵引变电站功率因数低下、系统三相电压波动和三相电压不平衡、牵引网电压波动和闪变以及谐波污染等问题，能显著提高电气化铁路的运能和运力。

本发明适用于采用直接供电模式和同轴电缆(Coaxial Cable，CC)供电模式的牵引供电系统，也适用于采用AT供电模式的牵引供电系统。对于单线牵引变电站，采用单台UFCC装置即可实现全部功能。对于复线牵引变电站，可采用两台UFCC装置实现。当没有机车通过电分相时，两台UFCC均运行于电能质量综合补偿模式；当作为过分相装置使用时，只要上下行线路的机车不同时通过电分相，两台UFCC装置可互为热备用，显著提高了UFCC装置运行可靠性。

本发明对已有的牵引供电系统及供电模式适应性良好，基本无需对已有的牵引电变电站和电分相的线路、变压器和接线方式进行改动，有利于UFCC装置的实际工程应用。

附图说明

图1为已有的地面开关自动过分相技术方案示意图。

图2为已有的两相式STATCOM装置的两相“背靠背”式变流器电路结构图。图3为已有的两相式STATCOM装置在牵引变电站内的接线示意图。

图4为本发明提出的电分相无断电柔性连接及补偿装置UFCC系统结构示意图。

图5为本发明提出的电分相无断电柔性连接及补偿装置UFCC省去一侧变压器组Ta的系统结构示意图。

图6为本发明所述两相“背靠背”式变流器43直流侧电容器的2种连接方式结构示意图，其中，图6(a)为连接方式1结构示意图，图6(b)为连接方式2结构示意图。

图7为本发明所述变流器组采用的链式结构实施例结构图。

图8构成本发明所述变流器组V_a和V_b的2n个电压源变流器V_ri的2种实施例结构图；其中，图8(a)为采用2电平单相H桥结构示意图，图8(b)为采用二极管中点箝位的3电平变流器结构示意图。

图9为本发明由所述m个单相多绕组变压器T_r构成的单相串联多重化单相降压变压器组实施例结构图。

图10为本发明由所述m个单相多绕组变压器T_r构成的单相并联多重化单相降压变压器组实施例结构图。

图11为构成本发明单相降压变压器组T_a、T_b的单相多绕组变压器T_r的结构实施例结构示意图。

图12为本发明应用于直接供电模式(或CC供电模式)牵引变电站的系统结构示意图。

图13为本发明应用于AT供电模式牵引变电站的系统结构示意图。

图14为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的相量分析图。

图15为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的时域示意图。

图16为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的程序流程图。

具体实施方式

本发明结合附图及实施例详细说明如下：

本发明所述牵引网电分相无断电柔性连接及补偿装置(UFCC)结构如图4所示。本发明装置包括由开关Bk_a、BK_m、BK_b组成的断路器开关41，可控投切开关42，共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器组(V_a和V_b)43，电气量传感器44、45、46，位置传感器7、8、9和主控制器47；其中，两相“背靠背”式变流器43两侧各具有一对输出端子，一侧输出端子为x、y，另一侧输出端子为z、w；从所述输出端子x分别引出两条支路，其中一条支路与可控投切开关42的下端口相连，可控投切开关42的上端口与断路器开关41中的BK_a的下端口串联，BK_a的上端口为输出端子l；从端子x引出的另一条支路与断路器开关41中的Bk_m的下端口串联，BK_m的上端口为输出端子m；所述输出端子z与断路器开关41的BK_b的下端口串联，BK_b的上端口为输出端子r；

所述电气量传感器44安装在断路器开关41的BK_a下端口，用以测量该端口侧的电气信号e₄(包括该端口电压信号v₄和流经该端口的电流信号i₄和外部电流i₄₁，图中未示出)；电气量传感器45安装在断路器开关1的BK_m下端口，用以测量该端口的电气信号e₅(包括该端口电压信号v₅和流经该端口的电流信号i₅和外部电流i₅₁，图中未示出)；电气量传感器46安装在断路器开关1的BK_b下端口，用以测量该端口的电气信号e₆(包括该端口电压信号v₆和流经该端口的电流信号i₆，图中未示出)；

所述位置传感器7、9分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，位置传感器8安装在电分相中性段中间位置的下方地面。当所述位置传感器7、8、9检测到电力机车达到所在位置时，分别向主控制器47发送位置信号w₇，、w₈和w₉。

所述主控制器47具有6个信号输入端口(In₁、In₂、In₃、In₄、In₅、In₆)和4个信号输出端口(O₁、O₂、O₃、O₄)，如图4所示。电气量传感器44，45和46的信号输出端口分别为d₄，d₅和d₆；位置传感器7，8和9的信号输出端口分别为d₇，d₈和d₉。主控制器47的6个信号输入端口(In₁、In₂、In₃、In₄、In₅、In₆)与3个电气量传感器44、45、46和位置传感器7、8、9分别采用信号线相连接。其中，主控制器47的信号端口In₁与电气量传感器44的信号端口d₄与相连，In₂与电气量传感器45的信号端口d₅相连，In₃与电气量传感器46的信号端口d₆相连；In₄与位置传感器7的信号端口d₇相连，In₅与位置传感器8的信号端口d₈相连，In₆与位置传感器9的信号端口d₉相连。可控投切开关42的控制信号端口为d₂，由开关BK_a、BK_m、BK_b组成的断路器开关41的控制信号端口分别为d_a，d_m和d_b。电压源变流器组V_a的控制信号端口为D_va(D_va表示构成变流器组V_a的所有IGBT的控制信号端口总和)，电压源变流器组V_b的控制信号端口为D_vb(D_vb表示构成变流器组Vb的所有IGBT的控制信号端口总和)。主控制器47与断路器开关41，可控投切开关42，变流器组V_a和V_b的控制信号端口均采用信号线相连接。其中，主控制器47的信号输出端口O₁与断路器开关41的信号端口d_a，d_m和d_b相连接，O₂与可控投切开关42的控制信号端口d₂相连，O₃与变流器组V_a的控制信号端口D_va相连，O₄与变流器组V_b的控制信号端口D_vb相连。

所述的主控制器47实时检测来自电气量传感器44、45、46的电气信号e₄、e₅、e₆，以及来自位置传感器7、8、9的位置信号w₇，、w₈和w₉。主控制器47产生对所述两相“背靠背”式变流器43的控制信号C_va和C_vb，产生对可控投切开关42的投切控制信号C₂和断路器开关41的闭合/关断控制信号C₁；当电力机车通过电分相时，使可控投切开关2断开，所述装置工作在无断电过分相模式，采用变频移相技术对中性段3电压进行幅值和相位控制，实现电力机车无断电带载通过分相；当无机车通过时，使可控投切开关2闭合，所述装置工作在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿，以解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。

所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器43，可由共用直流侧电容器组C的两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组V_a和V_b以及分别与两台单相变流器组V_a和V_b交流侧相连的2台单相降压变压器组T_a和T_b构成，如图4所示。所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器，亦可省去其中一侧单相降压变压器组T_a或T_b，如图5所示。

所述两相“背靠背”式变流器组43的两侧单相变流器组V_a和V_b与共用的直流侧电容器的连接方式有2种实施例结构：连接方式1如图6(a)所示。电压源变流器组V_a和V_b均是由n个单相电压源变流器V_r1，V_r2，…V_ri，…V_rn构成。

令单列高速电力机车额定功率容量为S_t，单个电压源变流器V_ri额定视载功率容量为S_vr，则n取值应满足关系式(1)：

$n\≥\frac{S_t}{S_{\mathrm{vr}}}---\left(1\right)$

根据现有高速电力机车额定功率及现有功率器件IGBT制造水平，n通常满足20≤n≤100。

所述每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，其2n个单相电压源变流器电容器C_L1、C_L2、…C_Ln和C_R1、C_R2、…C_Rn全部按极性并联在一起，即各电容器正极直流母线与其他电容器正极直流母线相连，负极直流母线与其他电容器负极直流母线相连。(当V_r采用二极管箝位的3电平结构时，各电容的中性级同样均与其他电容的中性极母线相连)。连接方式2如图6(b)所示，同样地，每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，但变流器组V_a中第i个电压源变流器V_ri的直流侧电容器C_Li仅和变流器组V_b中第i个电压源变流器V_ri的直流侧电容器C_Ri按照正、负极性相互并联(当V_r采用二极管箝位的3电平结构时，V_Li和V_Ri的中性极相互连接)，从而共同构成共计n组“背靠背”式变流器中的第i组“背靠背”连接变流器，各组“背靠背”连接变流器直流侧电容器相互之间独立，电气保持隔离。

图6中，每个单相电压源变流器V_ri的两个桥臂中点A_i、B_i可分别与其对应一侧变压器组副边的第i绕组S_Ri两端连接，并通过变压器组的多重化连接将该侧n个电压源变流器V_ri构成变流器组V_a或V_b。

此外，任一个电压源变流器V_ri的两个桥臂的中点A_i、B_i也可与相邻的第i-1和i+1个电压源变流器的桥臂中点B_i-1和A_i+1依次串联，构成级联式n电平变流器，亦可称之为链式变流器组，如图7所示。在具有n个电压源变流器V_r的链式变流器中，V_r1的桥中点A₁和V_rn的桥臂中点B_n分别与连接电抗器L₁和L₂一端相串联，L₁的左侧端口x和L₂的右侧端口y作为链式变流器组的输出端口(当所述变流器Va采用链式变流器组结构时，其两侧输出端口分别为x和y；当所述变流器组V_b采用链式变流器组结构时，其两侧输出端口分别为z和w)。

需特别地指出：当所述两相“背靠背”式变流器43采用省去一侧的降压变压器组方案时，如图5所示省去了左侧单相降压变压器组T_a，则对应的左侧变流器组V_a必须采用具有n个链节的链式变流器结构，如图7所示。同时，变流器组V_a和V_b直流侧电容器的“背靠背”连接方式必须采用连接方式2，如图6(b)所示。

上述每个单相电压源变流器V_ri有2种实施例结构，如图8所示，由于每个电压源变流器结构完全相同，图8中仅示出第i个电压源变流器的结构。电压源变流器V_ri可采用2电平单相H桥结构，如图8(a)所示，该结构包含有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上下2个绝缘门极双极型晶体管(IGBT)S_i1、S_i2和S_i3、S_i4及其反并联二极管D_i1、D_i2和D_i3、D_i4组成。两个桥臂的上、下端分别连接在一起，构成变流器的直流母线并与直流电容C_i相并联，上端母线为正极，下端母线为负极。电压源变流器V_ri也可采用二极管中点箝位的3电平变流器结构，如图8(b)所示，包括有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上、下各2个绝缘门极双极性晶体管(IGBT)S_i1、S_i2、S_i3、S_i4和S_i5、S_i6、S_i7、S_i8及其反并联二极管D_i1、D_i2、D_i3、D_i4和D_i5、D_i6、D_i7、D_i8，箝位二极管QD_i1、QD_i2、QD_i3、QD_i4和直流侧两组相互串联的电容器C_i1、C_i2、C_i3、C_i4组成。每个桥臂由所述2个电容器串联构造出一个电压中性点，由该电压中性段引出2只相互串联的箝位二极管对该桥臂进行电压箝位，其中上侧箝位二极管的阳极与下侧箝位二极管阴极相连后接入电压中性点，同时上侧箝位二极管的阴极接入上侧2只IGBT连接中点，下侧箝位二极管的阳极接入下侧2只IGBT的连接中点。2个桥臂的上、下两端分别连接在一起，与2组电容器组共同构成变流器的直流母线，其上端母线为正极，下端母线为负极，电容器构造的中性点引出作为中性极。

所述单相降压变压器组T_a和T_b均由m个(m数值满足n＝m×j，通常在8～50之间)单相多绕组变压器组T_r通过多重化连接构成，多重化连接方式有2种实施例，分别为单相串联多重化变压器组(实施例见图9)和单相并联多重化变压器组(实施例见图10)。单相降压变压器组T_a、T_b可采用单相串联多重化变压器组结构，也可采用单相并联多重化变压器组结构，用以实现构成单相变流器组V_a和V_b的2n个单相电压源变流器的多重化连接和电气隔离功能。如图9所示的单相串联多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器T_r1、T_r2、...T_rm的m个原边绕组P₁，P₂、...P_m按同名端依次串联，构成所述单相串联多重化变压器组，T_r1的原边绕组上端口u作为串联多重化变压器组的原边绕组上端口，T_rm的原边绕组下端口作为串联多重化变压器组的原边绕组下端口v，副边共计n个绕组(n＝m×j)。如图10所示的单相并联多重化变压器组，共计m个单相多绕组变压器T_r1、T_r2、...T_rm的m个原边绕组P₁，P₂、...P_m按同名端全部并联，构成所述单相并联多重化变压器组，每个单相多绕组变压器的原边绕组端口u、v即为并联多重化变压器组的原边绕组端口u、v，副边共计n个绕组(n＝m×j)。

本实施例构成所述两相“背靠背”式变流器43的单相降压变压器组T_a和T_b均由m个单相多绕组变压器T_r构成，所述单相多绕组变压器T_r由1个原边绕组P和i个副边绕组S_R1、S_R2、...S_Rj构成(其中j≥1，且j通常为不大于6的整数)，如图11所示(特别地，当j＝1时T_r退化为普通的单相2绕组变压器)。所述j个副边绕组S_R1、S_R2、...S_Rj与原边绕组P之间的互阻抗完全相同，副边绕组的分裂式接法使其相互之间阻抗很大，约为原边与副边互阻抗的2倍以上。这样，控制时各绕组之间相互的影响很小，可以有效减小因为控制脉冲误差引起的绕组间的循环功率。

本发明中主控制器47的实施例，是由1片TMSF28335型DSP芯片和1片XC2S200型FPGA芯片为中央计算和核心控制单元，共计16路A/D转换通道处理包括全部电气量采样信号e₄、e₅、e₆在内的模拟信号，共计10路开入信号通道处理包括全部位置传感信号w₇、w₈、w₉在内的数字信号，共计12路开出信号用于处理包括全部输出信号C₁和C₂在内的数字信号。由10片XC2S200型FPGA芯片和200个HFBR-1521型光纤发射芯片构成主控器47全部控制信号C_va和C_vb的生成，分配和输出单元。

本发明所提出的牵引网电分相无断电柔性连接及补偿装置(UFCC)既可应用于直接供电模式(或CC供电模式)牵引变电站，亦可应用于AT供电模式牵引变电站。图12为本发明提出UFCC装置应用于直接供电模式的牵引变电站系统接线图。UFCC装置的左侧引出端子l与牵引供电臂1相连接，右侧引出端子与牵引供电臂2相连接，中间引出端子m与电分相中性段3相连接，UFCC装置引出端子y和w引入导轨地线。图13为本发明提出的UFCC装置应用于AT供电模式的牵引变电站系统接线图。同样地，UFCC装置的左侧引出端子l与牵引供电臂1相连接，右侧引出端子r与牵引供电臂2相连接，中间引出端子m与电分相中性段3相连接，UFCC装置引出端子y和w引入导轨地线。牵引电分相两侧的2台自耦变压器(auto-transformer，AT)中间抽头分别接入接地导线，同时电分相两侧的正馈线需断开连接。在端子x、y之间以及端子z、w之间承受牵引电压通常为27.5kV。

本发明提出一种采用上述牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置(UFCC)实现电力机车自动无断电过分相及实现牵引变电站电能质量综合补偿的方法，该方法(由主控制器中预先设置的程序实现)包括以下步骤：

1)装置准备投入运行之前，主控制器47将控制信号C_va，C_vb全部封锁，使UFCC装置处于待机状态，然后发送控制信号C₁，使断路器开关41的BK_a、BK_b、BK_b全部闭合，装置并网；

2)主控制器47实时监测各测量信号，当主控制器47未接收到位置传感器7、8、9发送的位置信号w₇，、w₈和w₉时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制UFCC装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式，该模式的流程具体步骤如下：

2.1)主控制器47发送控制信号C₂使可控投切开关42闭合；

2.2)主控制器47实时检测电气量传感器44、46接收的电气量信号e₄和e₆，用以实时计算牵引供电臂1和牵引供电臂2的牵引负荷功率P_L1、Q_L1和P_L2、Q_L2(P_L1、Q_L1和P_L2、Q_L2分别为牵引供电臂1和2的负荷有功功率和无功功率)，并分解出负荷电流中的谐波电流成分i_h1和i_h2；

2.3)主控制器47通过控制信号C_va和C_vb，采用与两相式STATCOM相同的补偿原理使UFCC装置利用通过直流侧电容C“背靠背”连接的两相式变流器43，在牵引供电臂1和2之间转移有功功率Pc，使得两侧供电臂有功功率平衡，并分别补偿两供电臂的无功功率Q_L1、Q_L2和谐波电流i_h1和i_h2；从而实现对牵引变电站电能质量的综合补偿；

3)当主控制器47接收来自位置传感器7或9发送的位置信号w₇或w₉时，表明当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，主控制器控制UFCC装置退出电能质量综合补偿模式，使UFCC装置运行于无断电柔性过分相模式；

主控制器47控制UFCC装置运行于无断电柔性过分相模式，其流程如图16所示，具体步骤如下：

3.1)主控制器47首先将控制信号C_va，C_vb全部封锁，使UFCC装置处于待机状态；

3.2)判断机车来车方向：若检测到位置传感器7发送的w₇信号，表明机车从牵引供电臂1方向开来，将从左侧首先通过绝缘锚段关节MD_a；若检测到位置传感器9发送的w₉信号，表明机车从牵引供电臂2方向开来，将从右侧首先通过绝缘锚段关节MD_b；

3.3)主控制器47发出控制信号C₂控制可控投切开关2断开，并根据已经判定的机车过分相方向，对起始电压锁定：当机车从牵引供电臂1方向开过来时(以机车从牵引供电臂1方向开过来为例予以说明，机车从牵引供电臂2方向开来时的处理方法相同)，主控制器47采集电气量传感器44的采样信号e₄(包括该端口电压信号v₄和流经该端口的电流信号i₄和外部电流i₄₁，其中的电压采样信号v₄即为牵引供电臂1电压V_α的检测信号)；主控制器47将信号v₄作为目标电压，生成对变流器组V_a的控制信号C_va，并协调控制信号C_vb使直流侧电容电压维持稳定，从而令变流器组V_a在中性段3产生与与V_α的幅值和相位完全相同的中性段电压V_o，主控制器47还要计算出V_α电压有效值V_αrms并进行存储；

3.4)主控制器47预先计算变频移相中所采用的频率f₁：令牵引供电系统频率为f₀，预设UFCC装置实现中性段电压移相的时间为T_Δ(T_Δ为工频周期的k₂倍，k₂通常取正整数，且满足k₂＝T_Δ·f₁)。令中性段电压V_o从t_s时刻经过T_Δ时间后在t_e时刻完成从V_α到V_β的相移过程，相移角为θ角；则f₁可由下式计算：

式(2)中，“+”号表示中性段电压实现滞后移相，“-”表示中性段电压实现超前移相。当机车从电压相位超前的牵引供电臂经中性段向电压相位滞后的牵引供电臂行驶时，公式(1)中用“+”号，反之用“-”号；

3.5)主控制器47控制中性段电压V_o开始移相；当主控制器47检测到位置传感器8送来的位置信号w₈时，表明机车已经完全通过绝缘锚段关节MD_a，进入中性段3(这里中性段长度应根据电力机车长度合理设定)；如图14和图15所示，自t_s时刻起，以锁存的V_α的幅值为中性段电压V_o的幅值参考，以t_s时刻为中性段电压V_o参考零相位，以f₁为V_o的参考频率，控制中性段电压V_o实现相对牵引供电臂1电压的移相；至t_e时刻，中性段电压V_o与牵引供电臂2的电压V_β实现同相位；

控制中性段电压V_o实现相对牵引供电臂1电压的移相的具体过程如下：

3.5-1)根据公式(2)求解出变频频率f₁，令主控制器47定时计算频率为f₂，则应满足以下关系：

f₂＝k₁·f₁    (3)

式(2)中k₁通常为大于100以上的正整数；

3.5-2)根据(2)、(3)两式，主控制器47生成具有k₁个点完整周期的正弦波表，并以此作为频率为f₁的中性段参考电压信号的标幺化计算参考主控制器47还生成2个相位计数器C_t1和C_t2；

3.5-3)相位计数器C_t1按照f₂频率从0开始定时累加1；在t_s时刻，主控制器47进行初始相位锁定(即在该时刻对相位计数器C_t1和C_t2清零)，同时相位计数器C_t1开始计数；当相位计数器C_t1从0累加到k₁-1时，表明正好经过了f₁频率的一个整周期，则对计数器C_t1再次清零，同时对计数器C_t2累加1，如此反复循环；循环期间，主控制器47根据相位计数器C_t1的计数值，进入正弦波表计算出中性段电压V_o的标幺化电压参考

则主控制器47对变流器组V_a的输出电压参考V_oref可由下式计算：

$V_{\mathrm{oref}}=V_{\mathrm{\αrms}}\×{\stackrel{\‾}{V}}_o---\left(4\right)$

式中V_αrms为已存储的电压有效值。

3.5-4)当计数器C_t2达到k₂时，表明相移角已经达到目标θ，即完成中性段电压V_o实现相对牵引供电臂1电压的移相；

3.6)主控制器47采集电气量传感器6的电压采集信号v₆(即为牵引供电臂2的电压V_β的采集信号)；并且主控制器47在此时刻将信号v₆切换为对变流器组V_a的输出电压参考V_oref，实现对目标电压的锁定；

4)主控制器47再次检测到位置传感器9或7发送的位置信号w₉或w₇，表明电力机车已完全通过中性段3，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂。主控制器47将全部控制脉冲信号C_va，C_vb闭锁，使UFCC装置处于待机状态，随即发出控制信号C₂令可控投切开关2闭合，主控制器47则控制UFCC装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合补偿模式。

上述方法既适用于UFCC装置在直接供电模式和CC供电模式的牵引变电站应用，也适用于UFCC装置在AT供电模式的牵引变电站应用。

为实现所述方法，以通过电分相的单台高速电力机车最大额定牵引功率S_t＝20Mvar，所在电分相采用V/V接线型非平衡变压器的UFCC装置为例。本发明的UFCC装置接入牵引供电臂电压等级为27.5kV，而当电力机车在中性段3区间运行时，机车的全部牵引功率均由UFCC装置中的两相“背靠背”式变流器43提供，本装置的变流器组V_a和V_b的设计功率容量均应不小于20MVA，两相“背靠背”式变流器43的总容量S_v最低为40MVA。用k_p表示“背靠背”式变流器43额定功率S_v与电力机车额定功率S_t之比，则有：

$k_P=\frac{S_v}{S_t}=2---\left(5\right)$

因此，本装置的实施例中采用3300V/1400A IGBT组成的2电平H桥电压源变流器，直流侧电压平均值可取2000V左右，每个H桥电压源变流器额定容量为0.8Mvar，n＝25。所述UFCC装置中两相“背靠背”式变流器43采用的直流侧电容器“背靠背”连接方式1如图6(a)，两侧共计50组电容器全部按照同极性相互并联。本实施例中所述“背靠背”式变流器43共采用2台单相串联多重化变压器组，每台串联多重化变压器组由共计5台相同规格的T_r构成，如图11所示，每台多绕组变压器T_r选用副边为5绕组的分裂式接法，原边/副边电压变比为5∶1(6kV/1.2kV)，单相多绕组变压器T_r的容量选择为4Mvar。实施例选用可控投切开关2耐压等级应高于30kV，额定电流大于800A，无需带载分断能力。

UFCC对中性段电压移相过程如图14(a)所示。本实施例中，牵引供电臂1的电压V_α与牵引供电臂2的电压V_β有效值均为27.5kV，电分相中性段两侧供电臂电压V_α与V_β之间的相位差θ为60°角，所述UFCC装置端口x、y输出电压V_o在t_s时刻起经ΔT时间在t_e时刻形成60°角的相位滞后，从V_α沿虚线轨迹移相到V_β。

设定中性段距离为200m，满足高速电力机车以300km/h的速度全速通过电分相区间时，对应通过电分相时间为2.4s。当θ＝60°时，令T_Δ＝0.5s，根据式(2)，可得实现滞后移相f₁＝49.67Hz，实现超前移相f₁＝50.34Hz。

Claims (9)

1.一种牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置，该装置包括两相“背靠背”式变流器组，三个位置传感器；其特征在于，所述两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组V_a和V_b.以及分别与两台单相变流器组V_a和V_b交流侧相连的两台单相降压变压器组T_a和T_b构成，或与一台单相变流器组V_a或V_b交流侧相连的一台单相降压变压器组T_a或T_b，还包括三个电气量传感器，由开关BK_a、BK_m、BK_b组成的断路器开关，可控投切开关和主控制器；所述两相“背靠背”式变流器组的一侧输出端子为x、y，另一侧输出端子为z、w；从所述输出端子x分别引出两条支路，其中一条支路与可控投切开关的下端口相连，可控投切开关的上端口与开关BK_a的下端口串联，BK_a的上端口为输出端子l；从端子x引出的另一条支路与开关BK_m的下端口串联，Bk_m的上端口为输出端子m；所述输出端子z与开关BK_b的下端口串联，BK_b的上端口为输出端子r；

第一电气量传感器安装在开关BK_a下端口，第二电气量传感器安装在开关BK_m下端口，第三电气量传感器安装在开关BK_b下端口；

第一和第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置传感器安装在电分相中性段中间位置的下方地面；

所述主控制器具有6个信号输入端口和4个信号输出端口，主控制器的6个信号输入端口与所述3个电气量传感器和3个位置传感器分别采用信号线相连接；主控制器的4个信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组V_a和V_b的控制信号端口相连接；

所述的主控制器用于实时检测来自三个电气量传感器的电气信号以及来自三个位置传感器的位置信号；产生对所述两相“背靠背”式变流器组的控制信号，以及产生对可控投切开关的投切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当有电力机车即将通过牵引变电站电分相时，使该装置进入无断电柔性过分相模式，实现电力机车无断电带载通过分相，当无机车通过时，使该装置工作在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿，以解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染问题。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器组中的V_a和V_b均是由n个单相电压源变流器构成，n取值范围为20≤n≤100；所述直流侧电容器组由其2n个电容器组成，连接方式为：所述每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，各电容器正极直流母线与其他电容器正极直流母线相连，负极直流母线与其他电容器负极直流母线相连。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器组中的V_a和V_b均是由n个单相电压源变流器构成，n取值范围为20≤n≤100；所述直流侧电容器组由其2n个电容器组成，连接方式为：每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，变流器组V_a中第i个电压源变流器的直流侧电容器仅和变流器组V_b中第i个电压源变流器V_ri的直流侧电容器按照正、负极性相互并联，各组“背靠背”连接变流器直流侧电容器相互之间独立，电气保持隔离。

4.如权利要求2或3所述装置，其特征在于，所述每个单相电压源变流器采用2电平单相H桥结构，该结构包含有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上下2个绝缘门极双极型晶体管及其反并联二极管组成，两个桥臂的上、下端分别连接在一起，构成变流器的直流母线并与直流电容相并联，上端母线为正极，下端母线为负极。

5.如权利要求2或3所述装置，其特征在于，所述每个单相电压源变流器采用二极管中点箝位的3电平变流器结构，包括有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上、下各2个绝缘门极双极性晶体管，箝位二极管和直流侧两组相互串联的电容器组成；每个桥臂由2个电容器串联构造出一个电压中性点，由该电压中性段引出2只相互串联的箝位二极管对该桥臂进行电压箝位，其中上侧箝位二极管的阳极与下侧箝位二极管阴极相连后接入电压中性点，同时上侧箝位二极管的阴极接入上侧2只绝缘门极双极型晶体管连接中点，下侧箝位二极管的阳极接入下侧2只绝缘门极双极型晶体管的连接中点；2个桥臂的上、下两端分别连接在一起，与2组电容器组共同构成变流器的直流母线，其上端母线为正极，下端母线为负极，电容器构造的中性点引出作为中性极。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述单相降压变压器组T_a和T_b均由m个单相多绕组变压器组T_r通过多重化连接构成，m数值满足n＝m×j，其取值范围在8～50之间)，该多重化连接方式为单相串联多重化变压器组或单相并联多重化变压器组；所述单相串联多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器的m个原边绕组按同名端依次串联构成；所述单相并联多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器的m个原边绕组按同名端全部并联构成；所述单相多绕组变压器T_r由1个原边绕组和j个副边绕组构成，其中j≥1且j不大于6的整数；所述j个副边绕组与原边绕组P之间的互阻抗相同。

7.一种采用如权利要求1所述装置的牵引网电分相无断电柔性连接-补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)所述装置准备投入运行之前，主控制器使该装置处于待机状态，然后发送控制信号，使断路器开关的三个开关全部闭合，装置并网；

2)主控制器实时监测各测量信号，当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位置信号时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器控制该装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式；

3)当主控制器接收来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时，表明当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制装置退出电能质量综合补偿模式，使装置运行于无断电柔性过分相模式；

4)主控制器再次检测到第二位置传感器或第一位置传感器发送的位置信号时，表明电力机车己完全通过中性段，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂；主控制器将全部控制脉冲信号闭锁，使装置处于待机状态，随即发出控制信号令可控投切开关闭合，主控制器则控制该装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合补偿模式。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤2)主控制器控制所述装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式，该模式流程的具体步骤如下：

2.1)主控制器发送控制信号使可控投切开关闭合；

2.2)主控制器实时检测第一电气量传感器、第三电气量传感器接收的电气量信号，用以实时计算牵引供电臂1和牵引供电臂2的负荷有功功率和无功功率，并分解出负荷电流中的谐波电流成分；

2.3)主控制器通过控制信号，采用与两相式STATCOM相同的补偿原理使所述装置利用通过直流侧电容“背靠背”连接的两相式变流器，在牵引供电臂1和2之间转移有功功率，使得两侧供电臂有功功率平衡，并分别补偿两供电臂的无功功率和谐波电流；从而实现对牵引变电站电能质量的综合补偿。

9.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤3)主控制器47控制所述装置运行于无断电柔性过分相模式，其流程具体步骤如下：

3.1)主控制器首先使所述装置处于待机状态；

3.2)判断机车来车方向：若检测到第一位置传感器发送的信号，表明机车从牵引供电臂1方向开来，将从左侧首先通过绝缘锚段关节MD_a；若检测到第二位置传感器发送的信号，表明机车从牵引供电臂2方向开来，将从右侧首先通过绝缘锚段关节MD_b；

3.3)主控制器发出控制信号控制可控投切开关断开，并根据已经判定的机车过分相方向，对起始电压锁定：当机车从牵引供电臂1方向开过来时，主控制器采集第一电气量传感器的采样信号中的电压采样信号作为目标电压，生成对变流器组V_a的控制信号，并协调变流器组V_b的控制信号使直流侧电容电压维持稳定，从而令变流器组V_a在中性段产生与与V_α的幅值和相位完全相同的中性段电压V_o，主控制器47还要计算出V_α电压有效值V_αrms并进行存储；

3.4)主控制器预先计算变频移相中所采用的频率f₁：令牵引供电系统频率为f₀，预设UFCC装置实现中性段电压移相的时间为T_Δ，T_Δ为工频周期的k₂倍，k₂通常取正整数，且满足k₂＝T_Δ·f₁；令中性段电压V_o从t_s时刻经过T_Δ时间后在t_e时刻完成从V_α到V_β的相移过程，相移角为θ角；则f₁可由下式计算：

式(1)中，“+”号表示中性段电压实现滞后移相，“-”表示中性段电压实现超前移相。当机车从电压相位超前的牵引供电臂经中性段向电压相位滞后的牵引供电臂行驶时，公式(1)中用“+”号，反之用“-”号；

3.5)主控制器控制中性段电压V_o开始移相；当主控制器检测到第三位置传感器送来的位置信号时，表明机车已经完全通过绝缘锚段关节MD_a，进入中性段；自t_s时刻起，以锁存的V_α的幅值为中性段电压V_o的幅值参考，以t_s时刻为中性段电压V_o参考零相位，以f₁为V_o的参考频率，控制中性段电压V_o实现相对牵引供电臂1电压的移相；至t_e时刻，中性段电压V_o与牵引供电臂2的电压V_β实现同相位；

3.6)主控制器采集第三电气量传感器的电压采集信号；并且主控制器在此时刻将该信号切换为对变流器组V_a的输出电压参考V_oref，实现对目标电压的锁定。

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