江苏龙源风力发电有限公司 许国宝

作为风电输送系统中的重要元器件，电容器主要是用来储存能量和电能，因此被广泛应用于电网控制设备、通讯设备和新能源研发等[1]。

目前，关于电容器的优化，已经有很多学者展开了研究。文献[2]通过对各复合物电极材料的制备方法和性能的对比分析，指出石墨烯基复合物作为超级电容器的电极材料的未来研究内容是开发低成本、高比容量和高循环稳定性的复合物。文献[3]通过对电容器种类及其结构的研究，发现影响其功能的要素中，电极材料起到了至关重要的作用，这为进一步研究电容器的功能提供理论支持。文献[4]通过对电容器材料的合成和性能的协同效应来控制电容器的参数和形貌，提出了适用氧化铝（AI2O3）和多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料作为有应用前景的电容器材料。

本文引入TRIZ理论，首先系统性的分析风电输送系统中的问题，然后发现相关电容器的问题或者矛盾，确定研究方向，最后通过技术求解来解决问题或者矛盾。这不仅能够帮助我们根据现有的科学技术，更好的预测电容器的优化改进方向，还能帮助我们改进技术，优化原有的思维，创新出更高质量的电容器产品。

1 TRIZ理论

TRIZ首先是由根里奇阿奇舒勒提出的，他在多年的工作中发现如果仅仅是从心理学角度来分析和研究发明创造的一般规律，这是不准确的，因为从根本上来说，发明创造依然是技术系统的变化，所以应该把研究的重心放在技术分析研究上。

阿奇舒勒经过科学的分析和数据统计之后，结合多个技术领域的原理和规则，这样的一个难度高、耗费时间的辛苦工作为TRIZ理论的诞生奠定了坚实的基础，同时也为日后解决各种疑难问题提供了科学系统性的技术方法。自此，TRIZ理论诞生了[5]。

TRIZ理论是经过大数据处理所总结出来的，所以在一定程度上揭示了发明创造的规则和原理，为解决矛盾提供了科学系统性的技术方法，但是面对科学技术的日益快速进步，TRIZ理论也要紧跟科技的步伐，不断创新，不断进步。

目前，TRIZ理论愈加规范化，主要是40个创新发明原理，39个通用工程参数[6]，但是因为这些发明原理和工程参数是研究人员经过翻阅大量的文献资料和总结不同领域中的创新成果才得到的，所以TRIZ理论只是提供了解决实际问题或者矛盾的思想，而不能直接应用于解决实际问题或者矛盾。

2 风电输送系统中电容器的问题描述

近年来，随着工业化进程的不断加快，对电的需求量的也是日益增多，电力企业不得不在一些风电输送的设备上进行技术上的调整，例如整流技术、变频变相技术，以此增加电力输送量，这就导致风电系统一直在高负荷运行，使得风电输送过程中无功功率过高，同时谐波干扰问题也是越来越明显[7]。根据查阅资料和大量的数据统计，发现在风电输送中，很多电气设备在工作中都会产生5次或者7次谐波，甚至有一些设备会产生11次和13次谐波，极大的降低了风电输送的效率[8]。

电容器是一种谐波抑制和无功功率补偿装置，被广泛的应用于风电输送系统中。但是，目前所使用的电容器虽然可以在一定程度上对无功功率进行补偿，提高风电输送的稳定性，但还是会出现所承受环境温度变化能力较差，工作时长较短的问题。因此，能否找到一种既能耐高温，容量高，又能稳定可靠运行的电容器，这里涉及到的主要问题有：电容器的选型选材、外观大小、稳定性等。

3 基于TRIZ电容器的优化设计

3.1 已采取的措施

随着风电输送中，无功功率和谐波等问题的出现，电容器的发展应运而生，电容器就是一种谐波抑制和无功功率补偿装置，增强了电气设备在风电输送中的安全稳定性，极大地提高了传输效率，而且成本低，电力损失少，适用设备多，下面以薄膜电容器和陶瓷电容器为例。

3.1.1 薄膜电容器

薄膜电容器因为其绝缘阻抗高，电容量大，工作范围很宽，电解质以塑料薄膜为主，所以主要应用于模拟电路中，能够减少模拟电路中失真现象的产生，增强信号接收率。

薄膜电容器缺点就是可接受电流的范围较小，导致其高压侧被击穿，破坏其绝缘性能。其次，在电容器长时间运行下，容量可能会丢失导致电容量减少或者电容器自愈之后也可能会出现这种情况，因此薄膜

电容器只适用于容量稳定度不高的振荡电路中。3.1.2 陶瓷电容器

陶瓷电容器因为其耐潮性能好，容量大，电容温度系数选择范围广，电解质主要是以陶瓷材料为主，所以陶瓷电容器在高频、高压电路中得到了广泛的使用。

同样，陶瓷电容器的缺点就是电容较小，等效串联电阻也相比其他电容器而言较低。因为电源是通过互连电感连接负载，所以当陶瓷电容器被用作电源的输入滤波器时，负载会通过开关运行，这时，负载和电容器会很容易跟随输入互连电感谐振，产生振荡，破坏电路运行的安全稳定性。

3.2 存在的问题

经过上面的分析，会发现薄膜电容器和陶瓷电容器虽然可以在一定程度上对无功功率进行补偿，提高风电输送的安全稳定性，但还是会出现电流击穿和谐振的问题。因此，能否有一种电容器，既能耐高温，承受电流大，其内部电容值又高。此电容器主要问题是：电容器的材料要选哪种；电容器的外观大小需要怎么改；电容器是否适应大功率电力输送设备。

4 技术矛盾

4.1 技术矛盾分析

在此设计中主要存在的技术矛盾：电容器的材料会不会影响结构的稳定性或者导致装置更加复杂。电容器更改外观，其体积改变之后，是否会影响整体设备的运行。电容器是否适应大功率风电输送设备是本设计最难实现的，需要考虑其稳定性以及其电容电阻的选取。

4.2 定位技术矛盾

将上述的3个技术矛盾分别对照矛盾矩阵表查找发明原理，查找尽可能多的改善的通用工程参数和恶化的通用工程参数并得出解决问题的原理。其中监控与测试的苦难程度、静止物体的体积、形状这三个通用工程参数是需要改进的，恶化的通用工程参数分别是结构的稳定性、适应性及多样性、装置的复杂性。矛盾矩阵表如表1所示。

表1 矛盾矩阵表

所用发明原理如表2所示。

表2 所用发明原理

所用通用工程参数如表3所示。

表3 所用通用工程参数

4.3 求解技术矛盾

第一个问题：选用16部分超越原理，由以前的塑料和陶瓷材质改为铝材料。与薄膜电容器相比，铝电解电容器的优点是可承受电压高、可储存容量多。与陶瓷电容器相比，其成本低、等效串联电阻较高。

第二个问题：选用28机械系统替代原理。薄膜电容器多为方形，陶瓷电容器多为半圆形，而铝电解电容器为圆柱形，可以内装一定容量的电解液，储存容量大，可承受的温度范围得到了增强，同时提高了耐高压能力。即使铝电解电容器发生击穿现象，只要击穿的电流不连续，电容就可以自愈，因为金属氧化物是可以自动生成的，这就很好的解决了薄膜电容器容易电流击穿的问题。

第三个问题：选用35性能转换原理。一般来说，薄膜电容器和塑料电容器耐压高、纹波电流承受能力强、介质损耗小、使用寿命长，但是其耐热能力差、容量小、体积大、造价较高，常用于小巧精密的电力电子设备；而铝电解电容器虽然可接受纹波电流的范围较小，但是容量大、耐热好、价格低，更适用于运行环境恶劣的大功率风电输送设备。

综上，本文提出了一种基于TRIZ理论电容器的分析优化。引入TRIZ理论，准确把握和选择电容器创新发明的方向，综合考虑了几种电容器的性能、可靠度、结构等方面，发现几种电容器都有其特点和方法，同时在不同问题中的应用也存在各自地局限性。但相对于其他电容器而言，铝电解电容器适应的温度范围更广，工作时间更长，可靠度更高，几乎不受电力电子中电容运行情况的限制，而且可以通过无功功率的补偿和谐波抑制的作用，降低输送过程中的电力损耗，减少电气设备运行中的压降，提高电能质量，增强电力输送的安全稳定。