Công suất điện năng - Khái niệm và định nghĩa

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.
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

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

I.

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
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 toàn phần:Ps = U.I

công

suất

còn

lại

được

định

nghĩa

như


sau:

• 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 λ 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 αβ0 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 αβ0, 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 ./.