Công suất phản kháng là gì?

1. Khái niệm về công suất phản kháng 

Công suất phản kháng hay công suất vô công là phần công suất được tạo ra do phần từ trường của tuabin máy phát điện. Công suất phản kháng rất quan trọng với các tải cảm nư động cơ, máy phát... nó giúp cho các thiết bị này có thể khởi động được. Các thiết bị này không tiêu thụ công suất phản kháng, sau khi công suất phản kháng chảy về động cơ thì động cơ lại phát ngược lại công suất phản kháng đó. Hay nói cách khác công suất phản kháng là thành phần không sinh ra công.

Để hiểu hơn về công suất phản kháng Q ta cần biết thêm về công suất biểu kiến S và công suất tác dụng P.

Thực tế điện năng truyền đi từ các nhà máy phát điện dưới hai thành phần là công suất tác dụng và công suất phản kháng. công suất phản kháng được tạo ra bởi sự lệch pha góc phi của dòng điện và điện áp. Thành phần công suất tác dụng trực tiếp biến đổi thành cơ năng, còn công suất vô công thì cứ đi lại trên đường dây mà không gây một công hữu ích nào. do đó điện lực hạn chế  công suất phản kháng trên đường dây vì gây ra tổn hao trên đường dây và tăng kích thước dây dẫn.

2. Để hiểu hơn về công suất phản kháng ( trích trên Web Điện)

Có thể nói, kể từ khi ra trường và đi làm đến giờ, ngày hôm nay mình mới hiểu rõ về "Công suất phản kháng" cũng như một số vấn đề có liên quan khác. Mình xin gửi bài viết này tới gia đình WEBDIEN để các thành viên có thể tham khảo, để hiểu rõ hơn và ứng dụng tốt hơn trong công việc chuyên môn:

- Trên thực tế, từ nhà máy phát điện (thủy điện, nhiệt điện v.v.) nói chung là các dạng Turbin-Generator khi phát ra năng lượng thì bên trong đó đã bao gồm hai thành phần công suất hữu công (P) và công suất vô công (Q) (theo cách gọi của người VN).

- Công suất vô công (Reactive Power) là phần công suất được tạo ra bởi từ trường trong máy phát và là thành phần quan trọng đối với các tải cảm. Công suất này góp phần tạo nên từ trường trong trường hợp khởi động của các tải loại này. Nếu công suất này bằng 0, đồng nghĩa với các tải loại này không khởi động được.

- Do đó, trong trường hợp bình thường thì chính đường dây truyền tải đã truyền 2 loại công suất P và Q. Tuy nhiên, nếu ngay từ nhà máy điện đã phát ra công suất P và Q thì chắc chắn cấp dây sẽ rất lớn, do đó bằng cách điều chỉnh kích từ, thông thường cos phi của nhà máy thường được nâng lên tới giá trị gần như bằng 1. Có thể nói, công suất truyền từ nhà máy điện đơn thuần là P.

- Vậy câu hỏi đặt ra là phần Q của đường dây truyền tải nằm ở đâu. Trên thực tế, điện lực sẽ lắp đặt các trạm bù ở ngay phía trên các nút phân phối nhằm đáp ứng cho nhu cầu công suất phản kháng từ phía các tải tiêu thụ. Nhưng công suất kVAr của các trạm này có giới hạn và không thể tăng theo yêu cầu từ phía tải do mức độ phát triển của phụ tải ở Việt Nam là thất thường và rất khó kiểm soát.

- Trong sơ đồ truyền tải, từ nhà máy đến phía tải qua các trạm trung gian tại đây sử dụng các máy biến áp với mục đích nâng áp nhằm giảm tổn thất trên đường dây truyền tải. Các trạm biến áp có một công suất biểu kiến nhất định (kVA) đại diện cho mức năng lượng trong giới hạn mà MBA không phải hoạt động vượt quá khả năng (gây nóng lõi từ, nóng cuộn dây dẫn đến cháy MBA).

- Về phía tải, do đa phần các tải sử dụng trong lưới điện sinh hoạt cũng như sản xuất là các loại tải cần có năng lượng từ trường (Q) để có thể khởi động được, nên tạo ra nhu cầu về công suất Q rất lớn. Để đáp ứng nhu cầu này, lưới truyền tải sẽ phải đưa tới một lượng Q để phục vụ cho các tải này. Khi lượng Q tăng, đồng nghĩa với cos phi giảm (Q = S * sin phi, S không đổi, Q tăng, sin phi tăng, cos phi giảm), từ công thức tính dòng điện trong trường hợp lưới 3 pha: I = P / (căn 3 * U * cos phi) có thể thấy ngay rằng khi cos phi giảm thì I sẽ tăng, dòng điện tăng đồng nghĩa với cấp dây cáp phải tăng theo và gây sụt áp (U = I * Z: lấy điều kiện tổng trở đường dây không đổi, khi I tăng sẽ dẫn đến điện áp đòi hỏi tăng mạnh, gây sụt áp đường dây phân phối)

- Lý do Điện lực phạt tiền không phải vì công suất vô công, mà vì cơ sở vật chất nói chung của lưới điện là rất khó thay đổi một sớm một chiều, từ nhà máy sản xuất tới đường dây truyền tải. Vốn lượng P và Q được sản xuất và truyền tải là không đổi (xem các tổn thất là không đáng kể), chỉ vì biến động trong tải tiêu thụ đòi hỏi nhiều Q hơn, gây tăng cấp dây và sụt áp mà Điện lực phải đổi Máy phát điện, đổi các trạm biến áp, thay hết đường dây truyền tải thì đó là phương án bất khả thi. Do đó, Điện lực dùng cách phạt tiền nhằm tạo ra tâm lý chủ động cải tạo hệ số công suất từ phía tải.

- Với các trường hợp sử dụng máy phát điện đồng bộ, công suất Q có thể được điều chỉnh dựa vào bộ kích từ để thay đổi theo nhu cầu của tải. Nhưng xét trong một mạng lưới điện phân phối rộng, qua nhiều trạm và MBA trung gian thì việc điều chỉnh kích từ này là không thể. Dẫn đến phương án điều chỉnh linh động tại từng tải tương ứng và giữ nguyên công suất phát tại nguồn.

- Sẽ có nhiều bạn thắc mắc, nếu nói rằng đường dây chịu tổn thất là do cùng một lúc phải truyền cả công suất P lẫn Q, việc bù sẽ làm giảm nhu cầu về Q và giảm tổn thất. Vậy câu hỏi đặt ra là khi bù, ta cung cấp Q đồng nghĩa với việc đường dây phải mang cả P lẫn thêm lượng Q mà ta cung cấp, liệu có tổn thất hay không, liệu có phải tăng cấp dây dẫn lên không. Các bạn hãy lưu ý rằng, khi ta bổ sung thêm công suất phản kháng, phần công suất Q của đường dây lúc này xem như hao hụt không đáng kể, lượng Q nhu cầu của tải được đáp ứng, điều này dẫn đến hệ số công suất cos phi được cải tạo về gần bằng 1. Trong điều kiện đó, dòng điện I = P / (căn 3 * U * cos phi) giảm ( I và cos phi tỉ lệ nghịch), dòng điện giảm kéo theo cấp dây cáp không đổi, sụt áp không còn nữa, khi đó, cos phi thực chất được đưa về giá trị gần với giá trị cos phi ban đầu khi mới được phát ra từ nhà máy điện. Tuy nhiên, lợi ích thực sự từ quá trình cải tạo này là cho điện lực và mạng lưới truyền tải và tính từ điểm tiến hành bù công suất phản kháng trở lên. Còn từ điểm này xuống phía tải, thực chất là chúng ta đã "tự cung cấp năng lượng từ trường" để động cơ, thiết bị hoạt động. Lợi ích từ việc tiến hành bù công suất Q là giảm sụt áp, đảm bảo hoạt động cho thiết bị tại giá trị định mức và tiết kiệm công suất P cho điện lực chứ không phải cho bản thân chúng ta.

- Mình xin tạo một ví dụ trực quan về công suất phản kháng này để các bạn dễ hiểu: Trong một gia đình nhà Gấu, có 5 cái miệng Gấu đang há ra chờ sẵn để nhận thức ăn từ 1 cái máng. Từ cái máng này có 5 cái phễu cấp thức ăn và Gấu chỉ việc ngậm lấy để đưa thức ăn vào miệng. Có 1 con tham ăn hơn cả, đã hút mạnh để lấy thêm nhiều thức ăn. Trong khi lượng thức ăn hàng ngày của cả 5 con là không đổi. Vậy là Gấu sẽ bị phạt tiền vì cái tội tham ăn của nó! Còn nếu không, Gấu sẽ có 1 nguồn cung cấp thức ăn phụ khác để đáp ứng cho nhu cầu thêm của nó + lượng thức ăn mà nó nhận từ máng hàng ngày => thế là no bụng.