一、什么是THD
1、定义
THD（Total Harmonic Distortion，总谐波失真） 是衡量电能质量的关键指标，数值越低，波形越接近正弦波，电能质量越好。
THD是衡量一个信号（尤其是交流电信号）波形畸变程度的核心指标。简单来说，它告诉你一个本应是完美正弦波的信号，实际"长得有多歪"。
以电网为例
理想情况：
电网提供的交流电，理论上应该是纯正的正弦波，频率固定（如50Hz或60Hz）。这个波形的数学描述非常简洁优美。
现实情况：
当非线性负载（如变频器、电脑、LED灯、电弧炉等）接入电网时，它们从电网吸取的电流不再是平滑的正弦波，而会变成畸变的、非正弦的波形。
这个畸变的波形可以看作是由多个不同频率的正弦波"叠加"而成的。
2、谐波：畸变的"成分分析"
根据傅里叶分析，任何一个周期性畸变波形都可以分解为：
基波：频率与原始工频相同的正弦波（如50Hz）。这是我们期望的有用部分。
谐波：频率为基波频率整数倍的正弦波。
2次谐波：100Hz
3次谐波：150Hz
5次谐波：250Hz
7次谐波：350Hz
...以此类推。
畸变波形 = 基波（有用功） + 3次谐波 + 5次谐波 + 7次谐波 + ...
谐波就是导致波形"变歪"的罪魁祸首。
3、THD的定义与计算
THD 定量地描述了 所有谐波成分的总能量 相对于 基波能量 的百分比。
最常用的定义和计算公式如下：
对于电流 (THDᵢ)：
THDᵢ = √(I₂² + I₃² + I₄² + ... + Iₙ²) / I₁ × 100%
对于电压 (THDᵥ)：
THDᵥ = √(U₂² + U₃² + U₄² + ... + Uₙ²) / U₁ × 100%
式中：
I₁, U₁：基波电流、基波电压的有效值。
I₂, I₃, ..., U₂, U₃, ...：各次谐波电流、电压的有效值。
通俗理解：分子是"所有杂波（谐波）的合力"，分母是"主波（基波）的力"。这个比值越大，说明信号越不纯，失真越严重。
4、THD的物理意义与影响
一个高的THD值意味着严重的电能质量问题，会带来一系列危害：
设备过热与损坏：
谐波电流在电缆和变压器中流动，会产生额外的铜损（I²R），导致设备异常发热，降低寿命。特别是3次谐波，会在三相四线制系统的中性线上叠加，可能造成中性线电流过大甚至烧毁。
误动作与故障：
谐波会导致基于电压或电流波形过零点工作的设备（如继电器、电子仪表）出现计时错误和误判，引发误跳闸或测量不准。
谐振与过电压：
电网中的电容（如功率因数补偿电容）和电感（如变压器）可能在某次谐波频率下发生谐振，将该次谐波电流急剧放大，产生危险的过电压和过电流，损坏设备。
降低系统容量与效率：
谐波电流占用了电网的传输容量，但并不做有用功（称为"谐波功率"），从而降低了电网和设备的实际可用容量与运行效率。
对通信系统的干扰：
高频谐波会产生电磁干扰，影响邻近的通信线路或敏感电子设备的正常工作。
5、实例说明
想象一个纯净的蜂鸣声（基波，50Hz）。现在你同时听到：
一个微弱的150Hz声音（3次谐波）
一个更弱的250Hz声音（5次谐波）
所有这些杂音加在一起，改变了你听到的原始蜂鸣声的音色。THD就是衡量这些"杂音"总强度相对于原始"蜂鸣声"强度的指标。
二、线控与斩控
"线控"和"斩控"是两种完全不同的交流功率控制方式，其THD特性有本质区别。以下是详细对比：
1、线控（相位控制）
原理：采用晶闸管（SCR）等半控型器件，通过控制每个工频周期内器件导通起始点（相位角） 来调节输出电压的有效值。俗称"调相"或"相控"。
**波形特点：**输出波形是输入正弦波被"切掉"一部分后的剩余片段。导通角越大，波形缺失越严重。
THD特性：
THD非常高。因为输出波形不是正弦波，含有丰富的低次谐波（如3次、5次、7次）。
**THD随导通角变化：**导通角越小（输出电压越低），波形畸变越严重，THD越高。在深调压时，THD可超过100%。
**输入功率因数低：**相控导致电流滞后，也降低了功率因数。
2、斩控（PWM控制）
**原理：**采用IGBT、MOSFET等全控型器件，以远高于工频的频率（如kHz）将正弦波"斩"成一系列等幅不等宽的脉冲序列（PWM波），通过改变脉冲宽度来调节输出电压的平均值或正弦波的幅值。
**波形特点：**输出是高频PWM波，其基波分量是所需的正弦波。
THD特性：
THD可以做到很低。因为谐波能量主要被推到开关频率及其倍频附近的高频段。
**易于滤波：**只需在输出端加一个很小的LC低通滤波器，就能轻松滤除高频开关谐波，得到THD很低的正弦波（<5%甚至<3%）。
**THD与开关频率相关：**开关频率越高，谐波频率越高，滤波越容易，输出THD越低。
**输入功率因数高：**采用正确的PWM策略（如SPWM）可实现单位功率因数运行。
3、对比结论
在THD和电能质量方面，斩控（PWM）技术相对于线控（相控）技术具有压倒性优势。它通过高频化将谐波推向高频，使得滤波变得简单高效，从而能够输出低THD、高功率因数的优质正弦波。这正是现代电力电子装置（如变频器）广泛采用PWM斩控技术，而逐步淘汰传统相控技术的主要原因。
三、Simulink仿真
1、启动SIMULINK
2、创建工程
选择Simscape中的Specialized Power systems，
创建好的工程会有Continuous Power GUI(默认不做处理)
3、首先了解需要用到的库及组件
①电源AC Voltage Source：220V 50Hz
②晶闸管Thyristor、
③电阻电容电感Series RLC Branch、
④脉冲源Pluse Generator、
⑤万用表Multimeter、
⑥示波器Scope、
⑦MOS管
快捷搜索方法，可在库中左上角直接输入Scope快速搜索调用。
线控仿真搭建
1、按照图片搭建各组件
2、调整各组件参数
①电源AC Voltage Source：220V 50Hz
②RLC支路只选择电阻，阻值可根据仿真需求自行计算，例子的阻值为8Ω。
开启电压和电流测量，开启后示波器中可看到电阻的电压和电流。
③脉冲发生器频率也为50Hz
正半周延迟角为30°：(30/360)*1/50、
占空比为50%：仅在正半周导通、
幅值为1：仅为仿真，可以导通晶闸管即可。
负半周延迟角为30°：((30+180)/360)*1/50
占空比为50%：仅在负半周导通、
幅值为1：仅为仿真，可以导通晶闸管即可。
④、示波器
在示波器中选择电阻的电压和电流
⑤单机元器件后，双击其名称，可进行重命名。
⑥调整仿真步长
选择最大仿真步长为1e-6
3、仿真结果
仿真时间设置为0.1，点击运行即可
根据仿真结果可直，正半轴导通角为30°，负半轴导通角也为30°。
4、FFT分析
①将信号加入分析队列
单击导线，选择【Enable Data Logging】，添加完成后可看到仿真信号线上有信号图标，说明添加成功。
②在Power GUI中进行FFT分析
Availale signals设置
Input默认选择Enable Data Logging后加入的信号，如果有多组，可以单击下拉按钮选择。
Display可以选择信号视窗和FFT视窗：
信号视窗：整个仿真周期所有数据；
FFT视窗：仅截取进行分析的FFT数据；
FFT Settings设置
start time(s)：可任意选择，一般选择完整周期的起点或终点；
Nember of cycles：选择分析几个周期的数据；
Fundamental frequency(Hz)：交流电源的周期为50Hz；
Max Frequency(Hz)：需要分析的最大频率
Max frequency for THD computation：用于计算THD的最大频率，选择Nyquist frequency意味着在THD计算中考虑的最高频率将为采样频率的一半（即尼奎斯特极限）。这样可以确保在谐波分析中不包含混叠效应；也可选择Max Frequency(Hz)。
分析结果为：
50Hz，220V交流电，最大赋值为：220*sqrt（2）=311V。
50Hz下。输出信号赋值为302.2，THD为15.09%.
THD值为15.09%的含义：
表示谐波总能量约为基波能量的15.09%；
在电力系统中，通常希望THD低于5%；
15.09%的THD表明系统存在明显的非线性负载或干扰
斩控仿真
详见下载资源，内涵MATLAB仿真
仅展示仿真结果
