基于TRIZ理論電容器的分析優化

江蘇龍源風力發電有限公司 許國寶

作為風電輸送系統中的重要元器件，電容器主要是用來儲存能量和電能，因此被廣泛應用于電網控制設備、通訊設備和新能源研發等[1]。

目前，關于電容器的優化，已經有很多學者展開了研究。文獻[2]通過對各復合物電極材料的制備方法和性能的對比分析，指出石墨烯基復合物作為超級電容器的電極材料的未來研究內容是開發低成本、高比容量和高循環穩定性的復合物。文獻[3]通過對電容器種類及其結構的研究，發現影響其功能的要素中，電極材料起到了至關重要的作用，這為進一步研究電容器的功能提供理論支持。文獻[4]通過對電容器材料的合成和性能的協同效應來控制電容器的參數和形貌，提出了適用氧化鋁（AI2O3）和多壁碳納米管（MWCNT）復合材料作為有應用前景的電容器材料。

本文引入TRIZ理論，首先系統性的分析風電輸送系統中的問題，然后發現相關電容器的問題或者矛盾，確定研究方向，最后通過技術求解來解決問題或者矛盾。這不僅能夠幫助我們根據現有的科學技術，更好的預測電容器的優化改進方向，還能幫助我們改進技術，優化原有的思維，創新出更高質量的電容器產品。

1 TRIZ理論

TRIZ首先是由根里奇阿奇舒勒提出的，他在多年的工作中發現如果僅僅是從心理學角度來分析和研究發明創造的一般規律，這是不準確的，因為從根本上來說，發明創造依然是技術系統的變化，所以應該把研究的重心放在技術分析研究上。

阿奇舒勒經過科學的分析和數據統計之后，結合多個技術領域的原理和規則，這樣的一個難度高、耗費時間的辛苦工作為TRIZ理論的誕生奠定了堅實的基礎，同時也為日后解決各種疑難問題提供了科學系統性的技術方法。自此，TRIZ理論誕生了[5]。

TRIZ理論是經過大數據處理所總結出來的，所以在一定程度上揭示了發明創造的規則和原理，為解決矛盾提供了科學系統性的技術方法，但是面對科學技術的日益快速進步，TRIZ理論也要緊跟科技的步伐，不斷創新，不斷進步。

目前，TRIZ理論愈加規范化，主要是40個創新發明原理，39個通用工程參數[6]，但是因為這些發明原理和工程參數是研究人員經過翻閱大量的文獻資料和總結不同領域中的創新成果才得到的，所以TRIZ理論只是提供了解決實際問題或者矛盾的思想，而不能直接應用于解決實際問題或者矛盾。

2 風電輸送系統中電容器的問題描述

近年來，隨著工業化進程的不斷加快，對電的需求量的也是日益增多，電力企業不得不在一些風電輸送的設備上進行技術上的調整，例如整流技術、變頻變相技術，以此增加電力輸送量，這就導致風電系統一直在高負荷運行，使得風電輸送過程中無功功率過高，同時諧波干擾問題也是越來越明顯[7]。根據查閱資料和大量的數據統計，發現在風電輸送中，很多電氣設備在工作中都會產生5次或者7次諧波，甚至有一些設備會產生11次和13次諧波，極大的降低了風電輸送的效率[8]。

電容器是一種諧波抑制和無功功率補償裝置，被廣泛的應用于風電輸送系統中。但是，目前所使用的電容器雖然可以在一定程度上對無功功率進行補償，提高風電輸送的穩定性，但還是會出現所承受環境溫度變化能力較差，工作時長較短的問題。因此，能否找到一種既能耐高溫，容量高，又能穩定可靠運行的電容器，這里涉及到的主要問題有：電容器的選型選材、外觀大小、穩定性等。

3 基于TRIZ電容器的優化設計

3.1 已采取的措施

隨著風電輸送中，無功功率和諧波等問題的出現，電容器的發展應運而生，電容器就是一種諧波抑制和無功功率補償裝置，增強了電氣設備在風電輸送中的安全穩定性，極大地提高了傳輸效率，而且成本低，電力損失少，適用設備多，下面以薄膜電容器和陶瓷電容器為例。

3.1.1 薄膜電容器

薄膜電容器因為其絕緣阻抗高，電容量大，工作范圍很寬，電解質以塑料薄膜為主，所以主要應用于模擬電路中，能夠減少模擬電路中失真現象的產生，增強信號接收率。

薄膜電容器缺點就是可接受電流的范圍較小，導致其高壓側被擊穿，破壞其絕緣性能。其次，在電容器長時間運行下，容量可能會丟失導致電容量減少或者電容器自愈之后也可能會出現這種情況，因此薄膜

電容器只適用于容量穩定度不高的振蕩電路中。3.1.2 陶瓷電容器

陶瓷電容器因為其耐潮性能好，容量大，電容溫度系數選擇范圍廣，電解質主要是以陶瓷材料為主，所以陶瓷電容器在高頻、高壓電路中得到了廣泛的使用。

同樣，陶瓷電容器的缺點就是電容較小，等效串聯電阻也相比其他電容器而言較低。因為電源是通過互連電感連接負載，所以當陶瓷電容器被用作電源的輸入濾波器時，負載會通過開關運行，這時，負載和電容器會很容易跟隨輸入互連電感諧振，產生振蕩，破壞電路運行的安全穩定性。

3.2 存在的問題

經過上面的分析，會發現薄膜電容器和陶瓷電容器雖然可以在一定程度上對無功功率進行補償，提高風電輸送的安全穩定性，但還是會出現電流擊穿和諧振的問題。因此，能否有一種電容器，既能耐高溫，承受電流大，其內部電容值又高。此電容器主要問題是：電容器的材料要選哪種；電容器的外觀大小需要怎么改；電容器是否適應大功率電力輸送設備。

4 技術矛盾

4.1 技術矛盾分析

在此設計中主要存在的技術矛盾：電容器的材料會不會影響結構的穩定性或者導致裝置更加復雜。電容器更改外觀，其體積改變之后，是否會影響整體設備的運行。電容器是否適應大功率風電輸送設備是本設計最難實現的，需要考慮其穩定性以及其電容電阻的選取。

4.2 定位技術矛盾

將上述的3個技術矛盾分別對照矛盾矩陣表查找發明原理，查找盡可能多的改善的通用工程參數和惡化的通用工程參數并得出解決問題的原理。其中監控與測試的苦難程度、靜止物體的體積、形狀這三個通用工程參數是需要改進的，惡化的通用工程參數分別是結構的穩定性、適應性及多樣性、裝置的復雜性。矛盾矩陣表如表1所示。

表1 矛盾矩陣表

所用發明原理如表2所示。

表2 所用發明原理

所用通用工程參數如表3所示。

表3 所用通用工程參數

4.3 求解技術矛盾

第一個問題：選用16部分超越原理，由以前的塑料和陶瓷材質改為鋁材料。與薄膜電容器相比，鋁電解電容器的優點是可承受電壓高、可儲存容量多。與陶瓷電容器相比，其成本低、等效串聯電阻較高。

第二個問題：選用28機械系統替代原理。薄膜電容器多為方形，陶瓷電容器多為半圓形，而鋁電解電容器為圓柱形，可以內裝一定容量的電解液，儲存容量大，可承受的溫度范圍得到了增強，同時提高了耐高壓能力。即使鋁電解電容器發生擊穿現象，只要擊穿的電流不連續，電容就可以自愈，因為金屬氧化物是可以自動生成的，這就很好的解決了薄膜電容器容易電流擊穿的問題。

第三個問題：選用35性能轉換原理。一般來說，薄膜電容器和塑料電容器耐壓高、紋波電流承受能力強、介質損耗小、使用壽命長，但是其耐熱能力差、容量小、體積大、造價較高，常用于小巧精密的電力電子設備；而鋁電解電容器雖然可接受紋波電流的范圍較小，但是容量大、耐熱好、價格低，更適用于運行環境惡劣的大功率風電輸送設備。

綜上，本文提出了一種基于TRIZ理論電容器的分析優化。引入TRIZ理論，準確把握和選擇電容器創新發明的方向，綜合考慮了幾種電容器的性能、可靠度、結構等方面，發現幾種電容器都有其特點和方法，同時在不同問題中的應用也存在各自地局限性。但相對于其他電容器而言，鋁電解電容器適應的溫度范圍更廣，工作時間更長，可靠度更高，幾乎不受電力電子中電容運行情況的限制，而且可以通過無功功率的補償和諧波抑制的作用，降低輸送過程中的電力損耗，減少電氣設備運行中的壓降，提高電能質量，增強電力輸送的安全穩定。