非線性電負荷的激增正威脅著工場、商務樓及住宅樓的電網可靠性。什么是非線性負載？即任何阻抗隨著所承受電壓變化而變化的用電設備。工業應用中的例子包括大型變頻電機驅動或大電流弧焊機。服務器機群中使用的開關電源，辦公設備和各類消費電子產品也是非線性負載。

非線性負載不斷變化的阻抗會導致電流成非正弦表現；因此，該等負載會導致諧波電流,其頻率是基本頻率的整數倍（基本頻率為50或60 Hz，視地區而定）。當這些諧波電流在系統阻抗中傳播時，供電電壓上就會出現被稱為諧波電壓的失真現象（正如您可能猜到的，諧波電壓是頻率為基本頻率整數倍的電壓）。

這些電流和電壓諧波會損壞其他接入電網的電氣設備，包括公用設施和其他電氣用戶的設備。因此，電力供應商和能源使用大戶有責任降低非線性負載及其相關諧波的影響。第一步便是監控電網中是否存在諧波。在電表中加入總諧波失真率(THD)測量是個不錯的開始。

在探討如何計算THD這樣的細節問題之前，首先讓我們來了解下諧波的基本概念。關于諧波首先應該注意的是您可以將諧波導致的波形分解成正弦波的疊加。在對得到的波形進行分解的過程中，額定頻率的分量稱為基本頻率。頻率為基本頻率整數倍的正弦波分量稱為諧波，n次諧波對應基本頻率n倍的頻率分量。在圖1中，您可以看到3次諧波電壓分量和基本電壓是如何共同創造出由正弦波衍生出的新波形的。

圖1：帶3次諧波電壓分量的電壓波形范例

電壓和電流中出現諧波時，您可以使用所得波形（例如，圖1中的黑色波形）的波形樣本進行相應的均方根(RMS)測量并將其插入標準均方根方程，方程1和方程2中：

如果您已知每個諧波分量的均方根值和基波分量的均方根值，那么，您可以通過每個諧波分量及基波分量總均方值的平方根，交替計算出RMS，如方程3和方程4所示：

您可以按照信號中全部諧波含量計算THD參數。對于THD，有兩個常用的定義。第一個定義來自IEC 61000-4-7，其將THD定義為指定次(N)全部諧波分量均方根值（V1,rms表示電壓，I1,rms表示電流）與基波分量均方根值（Vh,rms表示電壓，Ih,rms表示電流）之比。方程5和方程6分別是計算電壓和電流THD的方程：

這一THD定義更常見于能源計量系統，如果基本信號的貢獻小于其他諧波的總貢獻，得到的THD值可能會超過100%。

在對THD的第二個定義中，THD是指定次(N)全部諧波分量均方根值（Vh,rms表示電壓，Ih,rms表示電流）與總均方根值（V1,rms表示電壓，I1,rms表示電流）之比。總RMS值包括基波和其他諧波的作用。方程7和方程8分別是計算電壓和電流THD的方程：

在THD的第二個定義中，由于總均方根被用作分母，而不僅僅是基波均方根值。因此，得到的值總小于100%。

因此，在測試THD精度時，需注意所使用的THD定義，因為這兩個不同的定義會得出兩個不同的值。

在兩個定義中，您都必須確定每個諧波分量的均方根值。計算這類均方根值要求采用快速傅里葉變換(FFT)運算。根據所選擇的計量處理器，這可能涉及很密集的計算操作。在該系列的下一期中，我將介紹一種計算密集度稍微低些的THD估算方法。