数据中心电源技术分析与优化改造

前数据中心电源主流供电架构依赖工频变压器与UPS/HVDC和巴拿马电源方案，尽管通过多级冗余设计（如N+1、2N）满足高可靠性需求，但存在能效瓶颈、空间低效、灵活性缺失等固有缺陷，难以适配单机柜功率超50kW的高密度算力场景，严重制约绿色低碳转型。

1.3巴拿马电源方案

巴拿马电源是一种集成化高压直流供电方案，如图3所示，因借鉴“巴拿马运河”的“简化链路”理念而得名。它将10kV高压配电、移相变压器、整流模块等设备集成一体，直接输出240V直流，大幅缩短供电链路，2018年后在超大型数据中心（如阿里云、腾讯云）逐步应用。传统供电链路需经过“10kV→0.4kV→整流→逆变”5级转换，巴拿马电源简化为“10kV→移相变压器→整流”3级，减少中间环节损耗，全链路效率达97%~97.5%，比普通HVDC高1%~2%，超大型数据中心年省电可达数百万度。但需与服务器的直流电源模块（PSU）深度适配，传统数据中心改造难度大、成本高，加上移相变压器和整流模块集成度高，热量集中，需配套液冷系统，设备成本增加10%~15%。

1.1传统UPS方案

如图1所示，数据中心传统的UPS供电方案是由高压配电柜、变压器、低压配电柜、UPS等组成，虽然系统方案成熟，但由于设备种类数量多，电能变换环节多，占地面积大，转换效率低，已有被逐步淘汰的趋势。

在传统数据中心项目中，供电存在以下问题。

1）电力变换链路冗长，系统供电效率低下。不间断电源UPS采用AC/DC整流、DC/AC逆变的双变换模式，需经过“中压交流→低压交流→直流→交流/直流”等5~6级转换，导致系统综合效率普遍低于92%，变换次数较多，每一次变换都会带来能量损耗，每年因转换损耗产生的额外能耗超百亿千瓦时；降低系统供电效率。

2）系统稳定性欠佳。UPS输出的是交流电，无法直接为负载供电，必须经过逆变模块转换为交流电后输出。当逆变模块出现故障时，无法为负载供电。例如，某企业数据中心过去两三年发生不间断电源故障次数较多，总发生次数占比达9%，年均4~5起断电恶性事故的起因是不间断电源故障，给企业品牌带来了不良影响。

3）空间限制。工频变压器基于电磁感应原理，体积与重量随功率呈线性增长，一台10kV/2MW工频变压器占地面积达8~10m²，在高密度算力场景下严重挤占设备部署空间，制约数据中心集约化发展；随着单机柜功率的持续提高，使供配电设备面积占比从25%激增至50%以上。新一代的AI数据中心服务器配备多达8个电源架，使用传统的54V低压直流配电，电源架将消耗高达64U的高度空间，已无法在现实中部署。

4）并联运行的操作复杂性较高，且负载率普遍偏低。为了增强系统的可靠性，通常会采用“N+1”并联冗余系统、“2N”系统或2“N+1”系统作为不间断电源（UPS）的配置方案。然而，鉴于并联运行的复杂性，在常规工作状态下，通常只有2~3台设备并联运行。在这样的低负载率条件下，UPS系统的运行效率会进一步降低，

5）维护性不足。交流UPS并机系统较为复杂，一旦发生故障，通常需要制造商的维护人员介入操作，实现连续切换存在一定的难度。相比之下，高压直流系统结构更为简洁，维护工作相对容易进行，高压直流模块支持带电热插拔，能够实现快速更换。

6）传统架构缺乏对可再生能源的原生适配能力，光伏、储能系统接入需额外配置变流器，进一步降低系统效率并增加成本。

1.2 传统HVDC供电方案

传统高压直流供电系统（High-Voltage Direct Current, HVDC）如图2所示，通过将市电整流为高压直流电（如240V、336V）直接为IT设备供电，省去了UPS的逆变环节。它最初用于通信基站，2010年后逐步在大型数据中心推广，尤其适合服务器等支持直流输入的设备。市电经整流器直接输出直流电，减少“AC-DC-AC”两次转换，仅保留“AC-DC”一次转换，全负载段效率达96%以上，比传统UPS高5%~10%，可降低数据中心PUE0.1~0.2（如从1.5降至1.3）。但其仅支持直流输入的IT设备，传统交流设备需额外配置整流器、直流配电柜等设备，增加成本

1.3巴拿马电源方案

巴拿马电源是一种集成化高压直流供电方案，如图3所示，因借鉴“巴拿马运河”的“简化链路”理念而得名。它将10kV高压配电、移相变压器、整流模块等设备集成一体，直接输出240V直流，大幅缩短供电链路，2018年后在超大型数据中心（如阿里云、腾讯云）逐步应用。传统供电链路需经过“10kV→0.4kV→整流→逆变”5级转换，巴拿马电源简化为“10kV→移相变压器→整流”3级，减少中间环节损耗，全链路效率达97%~97.5%，比普通HVDC高1%~2%，超大型数据中心年省电可达数百万度。但需与服务器的直流电源模块（PSU）深度适配，传统数据中心改造难度大、成本高，加上移相变压器和整流模块集成度高，热量集中，需配套液冷系统，设备成本增加10%~15%。

3 供电方案优化改造后效果分析

1）效率领先，实现电能高效转换数据中心SST供电方案采用第三代SiC功率器件与软开关技术，实现全链路效率90.8%的突破。第三代SiC MOSFET导通电阻降低40%、开关损耗减少60%，在整流与变换环节效率提升3.2%；软开关技术通过ZVS/ZCS设计，将DC-DC变换损耗降至硬开关1/5，轻载30%时效率仍超97%，较传统UPS方案能效提升5%。以2MW数据中心负荷为例，每天运行24h，电价按照平均值0.8元/kWh，效率提升5%计算，年节省电量约87.6万度电，年节省电费约70万元。

2）寸土必争，实现更高出柜率在数据中心“寸土寸金”的场景中，固态变压器（SST）凭借极致的体积压缩特性，成为提升出柜率的关键技术。如图9所示，相比UPS的双变换架构、HVDC的多级配电链路，以及巴拿马电源的集成化模块，SST基于SiC/GaN宽禁带器件实现高频变换（20kHz以上），体积仅为传统变压器的1/5~1/10，质量减轻60%以上。这意味着同等机房空间内，SST可节省40%~50%的配电区域占地，直接为IT机柜腾出更多空间。例如，某2MW数据中心采用固态变压器SST供电方案后，配电区面积从80m²缩减至35m²，出柜率提升近。同时，其模块化设计支持堆叠部署，配合液冷散热进一步压缩安装纵深，完美适配高密度算力中心对空间利用率的极致需求，在“东数西算”枢纽节点等大型集群中优势尤为显著。

3）多元融合，降低初始投资传统UPS供电方案具备“三大难”特点。因为不同供应商的设备，接口不同，尺寸不同，安装要求不同，导致项目推进过程中厂家协调难度大，接线难度大，施工隐患大，项目全生命周期综合成本高，运营维护成本高。固态变压器化繁为简，采用工厂预制式安装和调试，大幅节省现场工作，可将传统安装调试周期从2个月降低至半个月；铜牌接线，简化现场施工，排除施工隐患；以无源代有源，以主动控制代被动控制。可灵活调节无功、谐波等电能质量，无需额外配置APF/SVG，可节约电能质量设备投资54万元，项目全生命周期成本降低5%。

4）高效接入，守卫绿电降碳成果如图10所示，传统架构下不具备绿电、储能的接口，需要配置在数据中心配电侧，整体接入链路长、效率低、成本高。

基于固态变压器SST供电方案可实现供电系统交直流混合，具备低压直流的配电接口，方便绿电、储能等接入，促进绿电高效接入，如图11所示。10MW规模绿电系统可提升绿电使用90万度/年，降低碳排放580t，光伏并网系统投资可降低50%。