非線性電負(fù)荷的激增正威脅著工場(chǎng)、商務(wù)樓及住宅樓的電網(wǎng)可靠性。什么是非線性負(fù)載？即任何阻抗隨著所承受電壓變化而變化的用電設(shè)備。工業(yè)應(yīng)用中的例子包括大型變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)或大電流弧焊機(jī)。服務(wù)器機(jī)群中使用的開關(guān)電源，辦公設(shè)備和各類消費(fèi)電子產(chǎn)品也是非線性負(fù)載。

非線性負(fù)載不斷變化的阻抗會(huì)導(dǎo)致電流成非正弦表現(xiàn)；因此，該等負(fù)載會(huì)導(dǎo)致諧波電流,其頻率是基本頻率的整數(shù)倍（基本頻率為50或60 Hz，視地區(qū)而定）。當(dāng)這些諧波電流在系統(tǒng)阻抗中傳播時(shí)，供電電壓上就會(huì)出現(xiàn)被稱為諧波電壓的失真現(xiàn)象（正如您可能猜到的，諧波電壓是頻率為基本頻率整數(shù)倍的電壓）。

這些電流和電壓諧波會(huì)損壞其他接入電網(wǎng)的電氣設(shè)備，包括公用設(shè)施和其他電氣用戶的設(shè)備。因此，電力供應(yīng)商和能源使用大戶有責(zé)任降低非線性負(fù)載及其相關(guān)諧波的影響。第一步便是監(jiān)控電網(wǎng)中是否存在諧波。在電表中加入總諧波失真率(THD)測(cè)量是個(gè)不錯(cuò)的開始。

在探討如何計(jì)算THD這樣的細(xì)節(jié)問(wèn)題之前，首先讓我們來(lái)了解下諧波的基本概念。關(guān)于諧波首先應(yīng)該注意的是您可以將諧波導(dǎo)致的波形分解成正弦波的疊加。在對(duì)得到的波形進(jìn)行分解的過(guò)程中，額定頻率的分量稱為基本頻率。頻率為基本頻率整數(shù)倍的正弦波分量稱為諧波，n次諧波對(duì)應(yīng)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(chuàng)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(xiàn)諧波時(shí)，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(jìn)行相應(yīng)的均方根(RMS)測(cè)量并將其插入標(biāo)準(zhǔn)均方根方程，方程1和方程2中：

如果您已知每個(gè)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(guò)每個(gè)諧波分量及基波分量總均方值的平方根，交替計(jì)算出RMS，如方程3和方程4所示：

您可以按照信號(hào)中全部諧波含量計(jì)算THD參數(shù)。對(duì)于THD，有兩個(gè)常用的定義。第一個(gè)定義來(lái)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(jì)算電壓和電流THD的方程：

這一THD定義更常見于能源計(jì)量系統(tǒng)，如果基本信號(hào)的貢獻(xiàn)小于其他諧波的總貢獻(xiàn)，得到的THD值可能會(huì)超過(guò)100%。

在對(duì)THD的第二個(gè)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?？俁MS值包括基波和其他諧波的作用。方程7和方程8分別是計(jì)算電壓和電流THD的方程：

在THD的第二個(gè)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(cè)試THD精度時(shí)，需注意所使用的THD定義，因?yàn)檫@兩個(gè)不同的定義會(huì)得出兩個(gè)不同的值。

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