Công suất điện năng - Khái niệm và định nghĩa

Tuy nhiên, ngày nay với sự tham gia ngày càng nhiều của các tải phi tuyến (dạng dòng hoặc áp không sine) do sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng nguồn điện cung cấp. Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao. Quan niệm truyền thống về công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine lúc này không hoàn toàn phù hợp để đánh giá tức thời, đặc biệt trong các ứng dụng phát triển các hệ thống bù công suất, thiết bị lọc tích cực giảm thiểu nhiễu hài. Chính vì thế đã gây ra khá nhiều tranh cãi và sự bất đồng trong quan điểm của nhiều người khi trao đổi hay lạm bàn về vấn đề này. Nhằm góp phần làm rõ bản chất và ý nghĩa của công suất điện năng, bài viết này giới thiệu tổng quan và diễn giải một số khái niệm, định nghĩa đang được vận dụng rộng rãi và thành công trong lĩnh vực nâng cao chất lượng điện năng.

A. KHÁI NIỆM VỀ CÔNG SUẤT

Công suất điện năng luôn được quan niệm như một đại lượng thân quen đã được đo và sử dụng rộng rãi để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay mức độ tiêu thụ năng lượng điện của tải với giả thiết điện áp và dòng điện có dạng hình sine.

Từ rất lâu hệ thống phân phối và truyền tải năng lượng điện đã phát triển và triển khai dựa trên nguồn phát xoay chiều hình sine. Dạng điện áp hình sine với tần số phát không đổi đem lại rất nhiều lợi thế trong việc thực thi, truyền tải điện năng và mục đích sử dụng của các hệ thống tiêu thụ điện dân sinh. Chúng ta luôn biết rằng với hệ thống nguồn áp dạng sine nếu dòng điện tải càng đồng pha thì sẽ đem lại hiệu suất càng cao. Hiệu suất ở đây đánh giá về mức độ năng lượng được truyền từ nguồn tới được tải tiêu thụ. Từ đó đưa ra khái niệm về hệ số công suất (power factor) và được định nghĩa là tỷ lệ giữa phần công suất được truyền từ nguồn tới được tải tiêu thụ (công suất hữu dụng — active power) và công suất toàn phần - apparent power (công suất có thể truyền tới tải tiêu thụ lớn nhất, tức là khi dòng và áp đồng pha). Hệ số này lớn nhất bằng 1 khi pha của dòng tải đồng pha với điện áp cung cấp. Phần công suất không truyền được tới tải tiêu thụ được gọi là công suất phản kháng (reactive power) là phần công suất gây ra do dòng tải không đồng pha với điện áp cung cấp và có giá trị trung bình bằng 0 trong một chu kỳ điện áp lưới. Hệ số công suất phản ánh chất lượng tiêu thụ của tải, được sử dụng như một tiêu chí đánh giá và áp dụng mức độ sử phạt đối với các tải tiêu thụ.

B. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ CÔNG SUẤT

I. Hệ thống với điện áp và dòng dạng sine

Xét hệ thống nguồn điện một pha với nguồn áp dạng sine lý tưởng và một tải tuyến tính, dạng dòng và áp được biểu diễn như sau:

Công suất tức thời được định nghĩa bằng tích của điện áp và dòng điện tức thời:

Nếu chú ý biểu thức cuối cùng chúng ta dễ dàng nhận thấy công suất tức thời được biểu diễn gồm 2 thành phần (I) và (II) có thể được diễn giải như sau:

      Phần (I) có giá trị trung bình bằng UI cos j và chứa một thành phần dao động với tần số gấp hai lần tần số điện áp nguồn. Một điều đáng lưu ý là -90£j £90 nên phần này có trị giá luôn dương, biểu diễn phần năng lượng truyền theo chiều từ phía nguồn tới tải tiêu thụ.

      Phần (II) biểu diễn thành phần dao động với tần số gấp hai lần tần số điện áp nguồn, có biên độ bằng UI sin j và giá trị trung bình bằng 0.

Theo quan niệm truyền thống về công suất phân biệt 3 loại:

      Công suất hữu dụng P = UI cos j, chính là giá trị trung bình của phần (I) nêu trên và được tính theo đơn vị là [W]

      Công suất phản kháng Q= UI sin j, cũng chính là biên độ của phần (II) nêu trên và được tính theo đơn vị [VAR].

Công suất tức thời p(t) lại có thể được biểu diễn theo P, Q như sau:

      Công suất toàn phần được định nghĩa S = U.I tính theo đơn vị [VA] và được hiểu là công suất hữu dụng lớn nhất có thể đạt được chính là khi u(t) và i(t) đồng pha.

      Tính chất và chất lượng tiêu thụ của tải được phản ánh theo giá trị góc dịch pha j. Dấu của j thể hiện đặc tính cảm hoặc dung của tải tiêu thụ. Thông thường j dương thì tải có tính cảm và âm nếu tải có tính dung. Tính cảm hoặc dung sẽ quyết định tới hệ số đặc trưng cho hiệu suất truyền công suất (power factor-PF) :

II. Hệ thống điện áp và dòng không sine

Do điều kiện nguồn cung cấp và hoạt động phi tuyến của tải tiêu thụ trong nhiều hệ thống điện, nên giả thiết về nguồn điện áp và dòng điện dạng sine không được đảm bảo. Cũng có nhiều khái niệm về công suất đã được đề xuất [1-4], và chúng không hoàn toàn thống nhất. Trong phạm vi bài viết này giới thiệu một số định nghĩa đã được một số tác giả nêu ra và phổ biến rộng rãi, tuy nhiên việc áp dụng cho các hệ thống điều khiển chất lượng năng lượng điện cũng thể hiện nhiều điểm chưa nhất quán, tuỳ thuộc từng ứng dụng cụ thể.

Định nghĩa của Budeanu (1927)

Budeanu là một trong số những người đưa ra quan niệm đánh giá và định nghĩa đầu tiên về công suất cho các hệ thống có áp và dòng không sine. Các định nghĩa của Budeanu đều được biểu diễn trong miền tần số, theo các thành phần hài bậc cao chứa trong các thành phần dòng và áp.

      Công suất toàn phần:

trong đó, U và I là các giá trị hiệu dụng tổng của u(t) và i(t), được tính như sau:

trong đó, T là chu kỳ của thành phần hài cơ bản, Un và In là các giá trị hiệu dụng của các thành phần hài bậc n của điện áp và dòng điện.

      Công suất hữu dụng:

      Công suất phản kháng:

Trong các định nghĩa trên của Budeanu chúng ta thấy không biểu diễn được sự tương tác chéo giữa các thành phần hài bậc cao. Chính vì vậy không thể hiện được một cách đầy đủ các thành phần công suất hữu dụng và phản kháng như quan niệm truyền thống. Một điều nữa là rất khó đánh giá trực tiếp chất lượng điện năng. Để bổ sung thông tin về chất lượng điện năng, Budeanu đã đưa ra thêm một khái niệm gọi là công suất méo (Distortion Power - D), và được định nghĩa:

Định nghĩa của Fryze (1930)

Fryze định nghĩa các thành phần công suất trong miền thời gian dựa trên các giá trị hiệu dụng của các thành phần hài dòng và áp như sau:

      Công suất hữu dụng:

trong đó, U, I là các giá trị hiệu dụng tổng, và Uw, Iw là các giá trị điện áp và dòng điện hữu dụng được định nghĩa ở phần dưới.

Từ đây, các thành phần công suất còn lại được định nghĩa như sau:

      Công suất toàn phần:Ps = U.I

      Hệ số công suất hữu dụng λ:

      Công suất phản kháng:

trong đó, Uq, Iq là các giá trị áp và dòng phản kháng được định nghĩa ở phần dưới.

      Hệ số công suất phản kháng:

      Điện áp hữu dụng Uw và dòng hữu dụng Iw:

      Điện áp phản kháng Uq và dòng phản kháng Iq:

Về giá trị, các thành phần công suất toàn phần và công suất hữu dụng đưa ra trong các định nghĩa của Budeanu và Fryze không có gì khác nhau mà chỉ khác nhau về cách thể hiện. Budeanu định nghĩa trong miền tần số còn Fryze định nghĩa trong miền thời gian. Tuy nhiên, sự khác nhau thể hiện ở định nghĩa về công suất phản kháng. Fryze quan điểm rằng công suất phản kháng bao gồm toàn bộ phần công suất không tham gia vào công suất hữu dụng Pw. Trong đó Pw thực chất là giá trị trung bình của công suất tức thời p(t). Budeanu thì quan điểm công suất phản kháng chỉ là tổng của các thành phần công suất phản kháng ở các tần số hài dòng và áp tương ứng.

Cả hai tập định nghĩa về công suất của Fryze và Budeanu vẫn gặp phải một vấn đề khi vận dụng và tính toán ở chế độ quá độ vì các thành phần được tính đều dựa trên giá trị hiệu dụng của dòng và áp. Hơn nữa, khi áp dụng cho hệ thống ba pha công suất hữu dụng sẽ chứa cả thành phần dao động ngay cả khi hệ số công suất  bằng 1.

Định nghĩa của Akagi (1983) [5][6]:

Để khắc phục những nhược điểm trên của Fryze và Budeanu lý thuyết công suất tức thời do Akagi và các công sự đề xuất nhanh chóng được đón nhận và vận dụng thành công trong nhiều ứng dụng nâng cao chất lượng điện năng ngày nay (bù công suất, lọc tích cực…). Đặc biệt quan niệm về công suất đối với hệ thống 3 pha ở đây được xét một cách đầy đủ và chặt chẽ hơn. Trong đó hệ thống 3 pha được xem như một hệ thống hợp nhất chứ không phải sự xếp chồng thuần tuý ba pha riêng lẻ như quan niệm truyền thống.

Khái niệm về công suất tức thời được định nghĩa và áp dụng cho hệ 3 pha. Trong lý thuyết công suất tức thời của Akagi để thuận tiện cho việc biểu diễn và tính toán, các đại lượng được biểu diễn trong hệ toạ độ 0 thay vì hệ toạ độ abc bằng phép chuyển đổi toạ độ Clark thuận và ngược như sau:

Trong trường hợp hệ thống 3 pha — 3 dây cân bằng có thể bỏ qua thành phần zero khi đó phép chuyển đổi Clark sẽ được đơn giản như sau:

Trên cơ sở hệ tọa độ 0, Akagi định nghĩa các thành phần công suất tức thời như sau:

Trong định nghĩa của mình, Akagi gọi các thành phần công suất là công suất thực và ảo chứ không sử dụng khái niệm truyền thống là công suất hữu dụng hay công suất phản kháng. Để thấy được bản chất các thành phần công suất theo lý thuyết của Akagi có thể được diễn giải như sau:

      p - biểu diễn thành phần công suất thực tức thời truyền theo chiều từ nguồn tới tải tiêu thụ.

      p - biểu diễn giá trị trung bình trên một đơn vị thời gian của thành phần công suất thực truyền từ nguồn tới tải tiêu thụ, và cũng chính là thành phần công suất hữu dụng theo quan niệm truyền thống.

      p- biểu diễn thành phần công suất thực dao động trao đổi giữa nguồn và tải.

      p0- biểu diễn giá trị trung bình trên một đơn vị thời gian của thành phần công suất tức thời trao giữa nguồn và tải qua đường dây trung tính (pha 0) của hệ thống 3 pha.

      p0- biểu diễn giá trị dao động của thành phần công suất tức thời trao đổi giữa nguồn và tải qua đường dây trung tính

      q - biểu diễn thành phần công suất ảo tức thời — tương ứng với phần công suất trao đổi quẩn giữa các pha hệ thống, không tham gia vào luồng công suất hữu dụng truyền từ nguồn tới được tải tiêu thụ. Trong trường hợp hệ thống 3 pha điện áp hình sine cân bằng, giá trị trung bình của thành phần này cũng bằng chính giá trị của công suất phản kháng theo quan niệm truyền thống.

Nếu so sánh với các định nghĩa truyền thống thì quan niệm về công suất theo lý thuyết của Akagi thể hiện nhiều ưu điểm:

      Trên cơ sở định nghĩa của Akagi, thành phần hài dòng điện tức thời có thể được tính một cách khá dễ dàng theo giá trị điện áp nguồn phục vụ cho các hệ thống bù hay lọc tích cực. Các thành phần giá trị bù được tính như sau:

      Có thể áp dụng cho hệ thống 3 pha cân bằng hoặc không cân bằng, dạng điện áp và dòng sine hoặc không sine.

      Tính toán tức thời theo giá trị dòng và áp tức thời, cho đáp ứng nhanh.

C. KẾT LUẬN

Đối với hệ thống dòng và áp hình sine quan niệm truyền thống về công suất khá rõ ràng, trực quan và thống nhất. Quan niệm này cũng gây ra nhiều lúng túng nếu áp dụng cho hệ thống dòng và áp không có dạng sine, gây ra không ít tranh cãi và bất đồng quan điểm của nhiều người. Sự khác biệt cơ bản là trong dòng và áp xuất hiện các thành phần hài bậc cao cùng tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng. Đặc biệt, vấn đề này lại càng trở nên phức tạp hơn khi xét đối với hệ thống điện 3 pha vì có sự trao đổi giữa các pha của hệ thống. Có nhiều định nghĩa đã được nhiều nhà khoa học đề xuất nhưng phổ biến rộng rãi nhất ngày nay vẫn là của Budeanu, Fryze, Akagi và các cộng sự. Quan niệm về công suất trong các định nghĩa này không hoàn toàn thống nhất trong mọi trường hợp. Cho đến nay định nghĩa của Akagi tỏ ra chiếm ưu thế khi được vận dụng thành công nhiều trong thực tiễn nên được quan tâm hơn cả. Định nghĩa này đặc biệt tỏ ra ưu thế hơn hẳn khi áp dụng cho hệ thống điện 3 pha và khi áp dụng cho các hệ thống tính toán tức thời công suất (bù công suất, lọc tích cực…). Mặc dù ban đầu cũng không hoàn toàn thuyết phục vì thiếu sự diễn giải và phân tích đầy đủ, nhưng đến nay đã được nhiều nhà khoa học quan tâm và hoàn thiện hơn ./.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Emanuel, A.E. ,“Powers in nonsinusoidal situation - a review of definitions and physical meaning“, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 5, pp. 1377-1398, 1990.

[2] Watanabe, E.H. Stephan, R.M. Aredes, M. , „New concepts of instantaneous active and reactive powers in electrical systems with generic loads“, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 8, pp. 697-703, 1993.

[3] Filipski, P.S. ,Baghzouz, Y. ,Cox, M.D. Nat. , „Discussion of power definitions contained in the IEEE Dictionary“, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 9, pp. 1237-1244, 1994.

[4] Sharon, Daniel, „Power factor definitions and power transfer quality innonsinusoidal situations“, IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 45, pp. 728-733, 1996.

[5] H. Akagi, A. Nabae, and S. Atoh, "Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase Circuits", in Proc. IPEC-Tokyo'93 Int. Conf. Power Electronics, Tokyo, 1993, pp. 1375-1386.

[6] H. Akagi, A. Nabae, and S. Atoh, "Instantaneous Reactive Power Compensator Comprising Switching Devices Without Energy Storage Components", IEEE Trans. on Indus. Applica., Vol. IA-20, No. 3, pp. 625-630, 1984.

(Theo automation.net.vn)