随着数字经济的深度发展数据中心作为云计算、人工智能及物联网等新一代信息技术的关键基础设施其规模与算力需求正以年均超过20%的速度迅猛增长。截至2024年我国超大型数据中心的单机柜功率密度已普遍超过30kW部分AI算力中心甚至达到50kW以上对供电系统的可靠性、能效及空间集约化提出了更为严峻的要求。目前国内外学者围绕数据中心供电系统已开展了广泛研究。如朱华、张春晓等提出的传统方案主要基于“工频变压器UPS/HVDC”的多级电能变换结构通过冗余设计在一定程度上保障了供电可靠性但其频率低、体积大、效率提升受限等问题突出在典型负载下的系统效率普遍难以持续高于95%且占地面积大、动态响应能力有限的观点尽管阿里巴巴提出的巴拿马电源方案将效率提升至96%但仍需工频变压器进行电压变换单机柜功率超50kW时配电区占地占比高达20%。英伟达联合上游供应商提出重塑AI数据中心供电架构800VHVDC高压直流技术作为第三代供电架构基于固态变压器Solid State Transformer,SST亦称“电力电子变压器PET”技术的HVDC正成为新一代能源变革的核心载体通过“电源解耦高压直连”技术突破了传统能效瓶颈。在此背景下本文基于固态变压器的SiC/GaN器件高频变换大于20kHz与模块化特性重点开展3方面创新研究一是构建“中压交流→负载直流”的简化架构量化分析链路缩短对效率的提升效应二是建立空间利用率评估模型对比SST与传统方案在高密度场景的部署差异三是提出融合新能源接口的集成方案解决多能协同供电难题。通过上述研究预期形成一套兼顾可靠性、能效与空间效率的SST应用方案为“东数西算”工程中低PUE数据中心建设提供技术支撑推动数据中心供电系统向高频化、集成化升级。1 传统数据中心电源技术瓶颈当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N1、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。1.1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“N1”并联冗余系统、“2N”系统或2“N1”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如表1所示。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%。2 固态变压器SST供电技术数据中心供电架构由第一代传统UPS架构单机柜10~15kW演进至第二代48V架构单机柜40~100kW以上第三代±400V/800V高压直流架构开始崭露头角。作为第三代供电架构基于固态变压器SST技术的HVDC正成为新一代能源变革的核心载体。该技术保持巴拿马电源优势能直接把1万V交流电高效转换为800V直流电直供服务器机柜省掉了中间一堆转换环节还能轻松接入太阳能、储能等绿色能源完美契合数据中心用绿电和全直流供电的趋势。2.1 固态变压器SST电源架构设计目标1高效节能提高能源转换效率降低整个供电链路的能量损耗以满足数据中心对绿色节能的需求。2高可靠性具备冗余设计和故障隔离能力确保在部分组件出现故障时仍能为数据中心负载持续稳定供电。3高功率密度能够适应数据中心单机柜功率密度不断提升的趋势在有限空间内提供更大的供电能力。4灵活配置支持多种能源接入可根据数据中心的实际需求灵活调整供电架构实现“源-网-荷-储”的高效协同。2.2 技术原理与核心优势固态变压器供电系统主要由输入单元、固态变压器核心转换单元、直流分配单元及监控管理单元构成如图4所示。其中固态变压器是一种新型变压器它集成了电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能转换技术。其工作原理输入的交流电压经全桥整流电路转换为直流电压通过脉冲宽度调制PWM技术实现电压的初步调控将高压工频信号转换为高频信号随后通过高频变压器实现电气隔离与电压等级变换最后通过电力电子变换器为输出满足负载需求的交流电压。期间结合控制系统动态调整各环节开关器件的工作状态实现能量双向流动、功率因数调节等功能。如表2所示相较于传统电力变压器固态变压器基于全电子化设计摒弃铁心与油浸结构体积质量锐减能适应狭窄空间或特殊环境安装需求且无需变压器油等液体介质消除了渗漏污染与火灾隐患能够适应不同复杂环境通过电力电子器件快速调节实现控制策略精准有效在提供更加稳定的电源的同时能轻松接入智能电网实现联网控制为能源互联网发展提供有力支撑。固态变压器作为能源互联网的关键支撑设备或系统之一具备实现多种能源载体输入、输出、转换及存储的能力促进了不同能源形态之间的互联互补以及生产和消费环节的有机整合实现了不同特征能源流的融合其主要功能如下。1高效能源传输转换。以IGBT、SiC MOSFET等半导体器件为核心通过高频电力变换实现电压转换能效较传统方案92%~94%提升4~6个百分点供电链路整体能效提升2%~3%。2支持多种能源与负载灵活接入即插即用。轻松实现光伏、储能、电动汽车等设备友好接入电网较好适应分布式电源输出波动大幅提升可接纳的分布式电源容量提高系统供电可靠性。3有效调节电能质量。谐波抑制实现输入电流THD小于3%输出电压THD小于1%远优于传统变压器有效实现无功补偿、功率调节与控制减轻了额外电能质量治理设备的投资需求。4系统运行灵活性提升。支持双向功率流动在不断电的条件下采用预同步控制策略实现运行模式切换过程小于100ms实现微电网与主网的无缝连接与分离增强系统自愈性。2.3 系统架构核心设计1采用三级电路拓扑结构基于电力电子技术的新型变压器采用SiC碳化硅、GaN氮化镓等宽禁带半导体器件替代传统铁心和线圈结构实现高频电力变换实现电能的交直流、不同电压等级的高效变换能够实现光伏发电直供IT负荷及直流空调等负荷有效降低电能变换引起的损耗与传统UPS供电方案相比效率可提高5%以上是数据中心“绿色供电”的前沿方案如图5所示目前处于规模化推广阶段。2800V直流总线设计采用800V高压直流架构支持备用电池铅酸/锂电直接挂接实现毫秒级故障切换一旦主电故障能在毫秒间切换到电池供电提供15min不间断电力保障服务器持续运行如图6所示。3)模块化设计单模块容量覆盖1~3MW支持2N冗余架构、NX容错架构及市电HVDC混合架构等多种供电模式工厂预制化的生产方式可节省安装工期达到“小于90天”建设周期目标通过模块化设计灵活适配从边缘计算到超大规模数据中心的不同场景需求如图7所示为未来绿色数据中心建设提供了全场景解决方案。4智能控制采用中央控制系统提供从市电进线到末端配电的全链路一站式供配电管理融合电能运行监控、PUE监测、能耗管理和全寿命周期管理实现协调控制、能效管理EMS、故障诊断和预测性维护保障供配电系统运行的安全、可靠和稳定如图8所示。图8 智能控制系统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%。4 结束语数据中心供电架构发展趋势UPS→HVDC取消逆变环节→巴拿马电源移相变压器→SST完全电力电子化4种供电方案对比如表3所示。当前硅基SST的价格约1元/W已接近UPS和HVDC方案变压器设备约0.8元/W且功能性更强、部署周期更短。随着产品稳定性提升绿电接入成为刚需功率器件降本SST有望成为AIDC最主要的供电架构。数据中心作为数字经济的核心基础设施其供电系统的可靠性、能效与空间利用率已成为制约行业发展的关键瓶颈。传统“工频变压器UPS/HVDC”架构虽能满足基础供电需求但多级变换带来的能效损耗、庞大体积导致的空间浪费以及与高密度算力场景的适配性不足使其难以支撑数据中心绿色化、集约化升级。本文通过分析固态变压器SST技术的特性与应用潜力证实其在破解上述矛盾中的核心价值基于SiC/GaN宽禁带器件的高频变换能力可大幅缩短供电链路、降低能量损耗将系统综合能效提升至96%以上模块化设计显著压缩设备体积与质量为高密度算力场景释放40%~50%的配电空间直接提升IT设备部署效率集成的谐波治理、多能源接口功能则为“源网荷储”一体化供电体系提供了技术支撑兼顾供电连续性故障响应小于5ms与绿色低碳目标。未来随着宽禁带半导体器件成本的持续下降、标准化体系的完善以及与液冷技术、智能运维系统的深度融合固态变压器SST供电有望成为下一代数据中心供电架构的核心方案。这一技术变革不仅将推动数据中心PUE向1.1以下迈进更将为数字经济的可持续发展提供稳定、高效、绿色的能源支撑具有重要的工程实践与行业推广价值。来源电力电子技术作者陈英启彭丽江丘文劲