Công suất điện năng

Công suất điện - Khái niệm định nghĩa Công suất điện quan niệm đại lượng thân quen đo sử dụng rộng rãi để đánh giá khả phát lượng nguồn điện hay mức độ tiêu thụ lượng điện tải với giả thiết điện áp dòng điện có dạng hình sine Tuy nhiên, ngày với tham gia ngày nhiều tải phi tuyến (dạng dòng áp không sine) phát triển không ngừng ứng dụng điện tử công suất với tần suất đóng ngắt cao gần tức thời, ảnh hưởng xấu tới chất lượng nguồn điện cung cấp Kết dạng điện áp nguồn cung cấp dòng tiêu thụ không trì dạng hài hình sine có chứa hài bậc cao Quan niệm truyền thống công suất áp dụng cho dạng dòng áp hình sine lúc không hoàn toàn phù hợp để đánh giá tức thời, đặc biệt ứng dụng phát triển hệ thống bù công suất, thiết bị lọc tích cực giảm thiểu nhiễu hài Chính gây nhiều tranh cãi bất đồng quan điểm nhiều người trao đổi hay lạm bàn vấn đề Nhằm góp phần làm rõ chất ý nghĩa công suất điện năng, viết giới thiệu tổng quan diễn giải số khái niệm, định nghĩa vận dụng rộng rãi thành công lĩnh vực nâng cao chất lượng điện A KHÁI NIỆM VỀ CÔNG SUẤT Từ lâu hệ thống phân phối truyền tải lượng điện phát triển triển khai dựa nguồn phát xoay chiều hình sine Dạng điện áp hình sine với tần số phát không đổi đem lại nhiều lợi việc thực thi, truyền tải điện mục đích sử dụng hệ thống tiêu thụ điện dân sinh Chúng ta biết với hệ thống nguồn áp dạng sine dòng điện tải đồng pha đem lại hiệu suất cao Hiệu suất đánh giá mức độ lượng truyền từ nguồn tới tải tiêu thụ Từ đưa khái niệm hệ số công suất (power factor) định nghĩa tỷ lệ phần công suất truyền từ nguồn tới tải tiêu thụ (công suất hữu dụng – active power) công suất toàn phần - apparent power (công suất truyền tới tải tiêu thụ lớn nhất, tức dòng áp đồng pha) Hệ số lớn pha dòng tải đồng pha với điện áp cung cấp Phần công suất không truyền tới tải tiêu thụ gọi công suất phản kháng (reactive power) phần công suất gây dòng tải I không đồng pha với điện áp cung cấp có giá trị trung bình chu kỳ điện áp lưới Hệ số công suất phản ánh chất lượng tiêu thụ tải, sử dụng tiêu chí đánh giá áp dụng mức độ sử phạt tải tiêu thụ B CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ CÔNG SUẤT Hệ thống với điện áp dòng dạng sine Xét hệ thống nguồn điện pha với nguồn áp dạng sine lý tưởng tải tuyến tính, dạng dòng áp biểu diễn sau: Công suất tức thời định nghĩa tích điện áp dòng điện tức thời: Nếu ý biểu thức cuối dễ dàng nhận thấy công suất tức thời biểu diễn gồm thành phần (I) (II) diễn giải sau: • Phần (I) có giá trị trung bình UI cos j chứa thành phần dao động với tần số gấp hai lần tần số điện áp nguồn Một điều đáng lưu ý -90£j £90 nên phần có trị giá dương, biểu diễn phần 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 UI sin j giá trị trung bình Theo quan niệm truyền thống công suất phân biệt loại: • Công suất hữu dụng P = UI cos j, giá trị trung bình phần (I) nêu tính theo đơn vị [W] • Công suất phản kháng Q= UI sin j, biên độ phần (II) nêu tính theo đơn vị [VAR] Công suất tức thời p(t) lại biểu diễn theo P, Q sau: • Công suất toàn phần định nghĩa S = U.I tính theo đơn vị [VA] hiểu công suất hữu dụng lớn đạt u(t) i(t) đồng pha Tính chất chất lượng tiêu thụ tải phản ánh theo giá trị góc dịch pha j Dấu j thể đặc tính cảm dung tải tiêu thụ Thông thường j dương tải có tính cảm âm tải có tính dung Tính cảm dung định tới hệ số đặc trưng cho hiệu suất truyền công suất (power factor-PF) : II Hệ thống điện áp dòng không sine Do điều kiện nguồn cung cấp hoạt động phi tuyến tải tiêu thụ nhiều hệ thống điện, nên giả thiết nguồn điện áp dòng điện dạng sine không đảm bảo Cũng có nhiều khái niệm công suất đề xuất [1-4], chúng không hoàn toàn thống Trong phạm vi viết giới thiệu số định nghĩa số tác giả nêu phổ biến rộng rãi, nhiên việc áp dụng cho hệ thống điều khiển chất lượng lượng điện thể nhiều điểm chưa quán, tuỳ thuộc ứng dụng cụ thể Định nghĩa Budeanu (1927) Budeanu số người đưa quan niệm đánh giá định nghĩa công suất cho hệ thống có áp dòng không sine Các định nghĩa Budeanu biểu diễn miền tần số, theo thành phần hài bậc cao chứa thành phần dòng áp • Công suất toàn phần: đó, U I giá trị hiệu dụng tổng u(t) i(t), tính sau: đó, T chu kỳ thành phần hài bản, Un In giá trị hiệu dụng thành phần hài bậc n điện áp dòng điện • Công suất hữu dụng: • Công suất phản kháng: Trong định nghĩa Budeanu thấy không biểu diễn tương tác chéo thành phần hài bậc cao Chính cách đầy đủ thành phần công suất hữu dụng phản kháng quan niệm truyền thống Một điều khó đánh giá trực tiếp chất lượng điện Để bổ sung thông tin chất lượng điện năng, Budeanu đưa thêm khái niệm gọi công suất méo (Distortion Power - D), định nghĩa: Định nghĩa Fryze (1930) Fryze định nghĩa thành phần công suất miền thời gian dựa giá trị hiệu dụng thành phần hài dòng áp sau: • Công suất hữu dụng: đó, U, I giá trị hiệu dụng tổng, Uw, Iw giá trị điện áp dòng điện hữu dụng định nghĩa phần Từ đây, thành phần • Công suất toàn phần:Ps = U.I công suất lại định nghĩa sau: • Hệ số công suất hữu dụng λ: • Công suất phản kháng: đó, Uq, Iq giá trị áp dòng phản kháng định nghĩa phần • Hệ số công suất phản kháng: • Điện áp hữu dụng Uw dòng hữu dụng Iw: • Điện áp phản kháng Uq dòng phản kháng Iq: Về giá trị, thành phần công suất toàn phần công suất hữu dụng đưa định nghĩa Budeanu Fryze khác mà khác cách thể Budeanu định nghĩa miền tần số Fryze định nghĩa miền thời gian Tuy nhiên, khác thể định nghĩa công suất phản kháng Fryze quan điểm công suất phản kháng bao gồm toàn phần công suất không tham gia vào công suất hữu dụng Pw Trong Pw thực chất giá trị trung bình công suất tức thời p(t) Budeanu quan điểm công suất phản kháng tổng thành phần công suất phản kháng tần số hài dòng áp tương ứng Cả hai tập định nghĩa công suất Fryze Budeanu gặp phải vấn đề vận dụng tính toán chế độ độ thành phần tính dựa giá trị hiệu dụng dòng áp Hơn nữa, áp dụng cho hệ thống ba pha công suất hữu dụng chứa thành phần dao động hệ số công suất λ Định nghĩa Akagi (1983) [5][6]: Để khắc phục nhược điểm Fryze Budeanu lý thuyết công suất tức thời Akagi công đề xuất nhanh chóng đón nhận vận dụng thành công nhiều ứng dụng nâng cao chất lượng điện ngày (bù công suất, lọc tích cực…) Đặc biệt quan niệm công suất hệ thống pha xét cách đầy đủ chặt chẽ Trong hệ thống pha xem hệ thống hợp xếp chồng tuý ba pha riêng lẻ quan niệm truyền thống Khái niệm công suất tức thời định nghĩa áp dụng cho hệ pha Trong lý thuyết công suất tức thời Akagi để thuận tiện cho việc biểu diễn tính toán, đại lượng biểu diễn hệ toạ độ αβ0 thay hệ toạ độ abc phép chuyển đổi toạ độ Clark thuận ngược sau: Trong trường hợp hệ thống pha – dây cân bỏ qua thành phần zero phép chuyển đổi Clark đơn giản sau: Trên sở hệ tọa độ αβ0, Akagi định nghĩa thành phần công suất tức thời sau: Trong định nghĩa mình, Akagi gọi thành phần công suất công suất thực ảo không sử dụng khái niệm truyền thống công suất hữu dụng hay công suất phản kháng Để thấy chất thành phần công suất theo lý thuyết Akagi diễn giải 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 đơn vị thời gian thành phần công suất thực truyền từ nguồn tới tải tiêu thụ, thành phần công suất hữu dụng theo quan niệm truyền thống • p- biểu diễn thành phần công suất thực dao động trao đổi nguồn tải • p0- biểu diễn giá trị trung bình đơn vị thời gian thành phần công suất tức thời trao nguồn tải qua đường dây trung tính (pha 0) hệ thống pha • p0- biểu diễn giá trị dao động thành phần công suất tức thời trao đổi nguồn 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 pha hệ thống, không tham gia vào luồng công suất hữu dụng truyền từ nguồn tới tải tiêu thụ Trong trường hợp hệ thống pha điện áp hình sine cân bằng, giá trị trung bình thành phần giá trị công suất phản kháng theo quan niệm truyền thống Nếu so sánh với định nghĩa truyền thống quan niệm công suất theo lý thuyết Akagi thể nhiều ưu điểm: • Trên sở định nghĩa Akagi, thành phần hài dòng điện tức thời tính cách dễ dàng theo giá trị điện áp nguồn phục vụ cho hệ thống bù hay lọc tích cực Các thành phần giá trị bù tính sau: • Có thể áp dụng cho hệ thống pha cân không cân bằng, dạng điện áp dòng sine không sine • Tính toán tức thời theo giá trị dòng áp tức thời, cho đáp ứng nhanh C KẾT LUẬN Đối với hệ thống dòng áp hình sine quan niệm truyền thống công suất rõ ràng, trực quan thống Quan niệm gây nhiều lúng túng áp dụng cho hệ thống dòng áp dạng sine, gây không tranh cãi bất đồng quan điểm nhiều người Sự khác biệt dòng áp xuất thành phần hài bậc cao tham gia vào trình trao đổi lượng Đặc biệt, vấn đề lại trở nên phức tạp xét hệ thống điện pha có trao đổi pha hệ thống Có nhiều định nghĩa nhiều nhà khoa học đề xuất phổ biến rộng rãi ngày Budeanu, Fryze, Akagi cộng Quan niệm công suất định nghĩa không hoàn toàn thống trường hợp Cho đến định nghĩa Akagi tỏ chiếm ưu vận dụng thành công nhiều thực tiễn nên quan tâm Định nghĩa đặc biệt tỏ ưu hẳn áp dụng cho hệ thống điện pha áp dụng cho hệ thống tính toán tức thời công suất (bù công suất, lọc tích cực…) Mặc dù ban đầu không hoàn toàn thuyết phục thiếu diễn giải phân tích đầy đủ, đến nhiều nhà khoa học quan tâm hoàn thiện /  ... quan điểm công suất phản kháng bao gồm toàn phần công suất không tham gia vào công suất hữu dụng Pw Trong Pw thực chất giá trị trung bình công suất tức thời p(t) Budeanu quan điểm công suất phản... nghĩa thành phần công suất tức thời sau: Trong định nghĩa mình, Akagi gọi thành phần công suất công suất thực ảo không sử dụng khái niệm truyền thống công suất hữu dụng hay công suất phản kháng... dòng áp sau: • Công suất hữu dụng: đó, U, I giá trị hiệu dụng tổng, Uw, Iw giá trị điện áp dòng điện hữu dụng định nghĩa phần Từ đây, thành phần • Công suất toàn phần:Ps = U.I công suất lại định