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伊顿｜大型数据中心交/直流不间断电源系统的发展史

发布时间：2025-07-17发布者：Wang

在大型数据中心中，供配电系统的能源来源大致可以分为两大类：

一类是以市电为代表的主用能源，另一类是以柴油发电机、蓄电池等为代表的备用能源。

作为连接主备用能源与数据中心 IT 设备、动力设备之间的关键“纽带”，不间断电源（UPS）承担着为关键负载提供持续、稳定、可靠电力的核心任务，其技术路线与系统形态，直接决定着数据中心供配电系统的可靠性、能效与未来演进空间。

近年来，随着电力电子技术的快速发展以及数据中心业务形态的深刻变化，尤其是“双碳”目标和智算中心的兴起，数据中心不间断电源系统正在经历一场从低压到高压、从单一备电到储备融合、从分立系统到中低压一体化、从简单电源到能源路由器的深刻变革。

本文将以“发展演进 + 技术原理 + 应用趋势”为主线，系统梳理大型数据中心交/直流不间断电源系统的发展脉络，并重点探讨中压能源路由器这一新形态对未来数据中心电力系统带来的影响。

一、低压不间断电源系统的演进：从工频到高频，再到高压直流

1. 工频 UPS 向高频 UPS 的代际演进

从全行业视角看，“低频向高频演进”一直是电力电子技术的重要发展方向。不间断电源也遵循这一规律，其技术演进大致经历了以下阶段：

工频 UPS 阶段：
以晶闸管（SCR）为整流开关器件，开关频率为 50Hz，属于典型的低频拓扑。由于 SCR 为半控型器件，整流侧不能实现升压整流，直流母线电压较低，逆变输出端必须通过工频变压器二次升压才能获得 380V 输出。
结果就是：系统体积大、重量高、效率相对较低，同时还增加了变压器这一潜在故障点与损耗环节。
高频 UPS 阶段：
随着 IGBT 等全控型高频器件的成熟，高频 UPS 得以将整流和逆变的开关频率提升到几千赫兹乃至几十千赫兹。
整流侧通过 IGBT 进行升压整流，使直流母线电压大幅提高，逆变器即可直接输出 380V，不再依赖工频变压器进行二次升压。
其显著优势包括：

体积和重量大幅减小；
系统效率明显提升；
动态响应速度更快，适合应对现代 IT 负载的快速变化；
部分产品可通过模块化方式实现 N+X 冗余，提高可用性。

在大型数据中心中，高频 UPS 已基本取代工频 UPS 成为主流选择。两者在整流器器件、输出拓扑、蓄电池接入方式等方面存在明显差异：

工频 UPS：SCR 整流 + 必配输出变压器 + 电池多通过整流侧接入；
高频 UPS：IGBT 整流 + 无工频变压器直挂逆变输出 + 更灵活的电池接入方式。

得益于这些技术进步，高频 UPS 在能效、功率密度、维护成本等方面都远优于传统工频 UPS，这也是其在数据中心领域广泛应用的根本原因。

2. 高压直流（HVDC/DCUPS）：另一条高频不间断电源路径

在交流 UPS 之外，高压直流供电系统（HVDC）也逐渐在数据中心得到应用，通常被称为 DCUPS。

目前较常见的工程实施电压等级为 DC 240V 或 DC 336V，其典型拓扑结构为：

AC-DC：将市电转换为高压直流；
DC-DC：根据负载需求进行电压变换与稳压。

得益于两级高频变换技术，高压直流系统的效率已能够与行业内高端 UPS 基本持平。但在实际应用中，传统 HVDC 方案通常采用蓄电池直挂输出直流母线的方式，即电池组直接并联在 DC 母线上：

负载端电压、电流的大幅波动，会直接作用于蓄电池；
电池频繁深度充放电易导致寿命缩短；
控制策略与保护机制要求更高。

因此，虽然 DCUPS 在部分场景中已得到应用，但目前仍只有少数企业和用户采用该方案，如何兼顾高效、可靠与电池寿命，仍然是 HVDC 系统需要重点解决的问题。

二、从“备电型 UPS”到“电网交互型储能 UPS”

1. 内因与外因共同驱动 UPS 功能升级

从哲学角度看，任何事物的演进都源自“内因”和“外因”的共同作用。

对于数据中心不间断电源而言：

内因来自电力电子技术的突破：
新型半导体器件、创新拓扑结构和智能控制算法，为 UPS 功能的拓展提供了坚实技术基础。
外因来自数据中心角色的转变：
随着数据中心在社会用电中的占比不断提高，数据中心被寄予“参与电力系统调节、提升绿电消纳能力”的新使命。
传统 UPS 仅在市电故障时才“出场”备电，大量电池容量在大部分时间处于“闲置”状态。
在“双碳”目标下，行业迫切希望 UPS 能够在削峰填谷、调频稳频、绿电消纳等方面发挥更大价值，由此推动 UPS 从单一“备电功能”向**“储能 + 备电一体化”**方向演进。

2. 传统备电型 UPS 的储能能力：从原理到放大

以高频 UPS 为例，其本身就具备对蓄电池进行充放电管理的能力，其充放电过程大致如下：

充电过程：
整流器（Rectifier）将输入交流电整流为直流，建立 DC 母线，为逆变器供能的同时，也为蓄电池充电器提供电能；
蓄电池充电器（Battery Charger）进一步将母线电压变换为适合蓄电池组的均充/浮充电压，并完成温度补偿、电压均衡等电池管理功能。
放电过程：
当市电中断时，蓄电池向蓄电池充电器（此时工作于逆变模式）提供直流电能，转换成与 DC 母线电压一致的电压，再由逆变器转换为负载所需的交流电。

从原理上看，UPS 的电池管理部分与独立的储能变流器（PCS）有高度相似性：

如果适当放大充电器容量、优化控制策略，并增加电池容量，就可以让 UPS 具备一定的储能调度能力，实现：

在不影响备电安全性的前提下，参与负载侧的削峰填谷；
配合上游电价策略，进行一定程度的峰谷套利；
提供部分应急供电和电能质量改善服务。

此时，UPS 已不再是“只在断电时短暂出场”的备电设备，而是开始向“储能变流器 + 备电一体化电源”的方向迈进。

3. 电网交互型 UPS：以双向变换拓展至四象限应用

严格意义上的储能变流器（PCS），不仅要能向下游负载侧输出电能，也应能向上游电网反送电能。

而在传统 UPS 拓扑中，由于整流器通常为单向整流结构，无法将能量从 DC 母线回馈至电网，因此其功能更多局限在“负载侧储能应用”。

以伊顿 93PR UPS 为例，其在架构设计上做了关键性调整——

将整流器与逆变器设计为相同的双向变换结构，使之具备双向能量流动能力：

蓄电池不仅可以通过逆变器向下游负载供电；
也可以在控制策略的调度下，通过整流器反向向上游电网侧或输入母线的其他设备供电。

这一设计实质上完成了从“单向两象限工作”到“双向四象限工作”的飞跃，让 UPS 真正具备了储能变流器的核心能力，使其可以：

参与负载侧削峰填谷、移峰填谷、绿电平衡等；
参与电网侧调频、稳频、电压支撑等辅助服务；
盘活数据中心本就规模庞大的电池资产，减少“容量闲置”和“时间闲置”。

在“双碳”与电力系统灵活性需求不断提高的背景下，电网交互型 UPS 有望成为未来大型数据中心供配电系统中的重要基础单元。

三、中低压融合一体化不间断电源系统：从“分离”走向“融合”

随着数据中心对低碳、高能效、低 Capex、高可用性的需求持续提升，传统的“中压配电 + 工频变压器 + 低压配电 + UPS + 末端配电”分散架构，正逐步暴露出占地大、链路长、损耗高、改造难等问题。

行业开始探索一种新路径：

将中低压配电、变压器与不间断电源高度融合，形成一体化电源模块系统，在缩短链路、提升效率的同时，简化工程实施与运维管理。

由于篇幅所限，本文暂不展开基于 ACUPS 的“中压直接输入一体化高频 AC 不间断电源（电力模块）”，重点介绍两种具有代表性的一体化 DC 不间断电源方案。

1. 中压直接输入的一体化工频 DC 不间断电源——“巴拿马”

2020 年 4 月，ODCC 发布《巴拿马供电技术白皮书》，提出了“巴拿马电源”架构。

其核心思路是：将 10kV 中压变压器与 HVDC 技术深度整合，把原本位于前端配电系统中的工频变压器改为移相变压器，并直接集成进电源内部，实现：

交流 10kV 配电；
工频移相变压器；
模块化整流器；
输出直流配电等功能的一体化。

在这种架构下，10kV 经移相变压器降压并移相后，通过多组副边绕组进入相互隔离的 AC/DC 整流单元，各单元输出 240V DC，并以传统 HVDC 方式将蓄电池直挂于 DC 母线。

巴拿马电源的显著特点包括：

高压深入负荷中心：将传统的低压配电线路“收缩”进设备内部，无需单独设置 SVG、APF 等装置；
供电链路大幅缩短：从变压器到 UPS/HVDC 柜之间的多级低压配电被精简，减少了占地与配电环节；
系统效率较高：移相变压器效率可达 99%，整流调压部分峰值效率约 98.5%，整体峰值效率约 97.5%。

巴拿马方案在系统效率与链路精简方面表现良好，但其本质仍然是基于工频变压器 + 低压整流的架构，在体积、重量以及部分场景的 Capex 上仍面临一定挑战。

2. 中压直接输入的一体化高频 DC 不间断电源——固态变压器（SST）

在算力和电力需求持续快速增长的背景下，单机柜功耗已从通用算力时代的数千瓦攀升至 AI 时代的上百千瓦。

这给传统低压配电带来一系列问题：

电流大幅上升，导致电缆成本增加、布线复杂；
线损与发热增大，对冷却与能效构成压力；
PDU 容量与配电空间占比上升，机房“出柜率”被挤压。

在此背景下，**固态变压器（Solid-State Transformer，SST）**应运而生。

SST 也称电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET），它以电力电子技术和高频磁性器件为核心，用高频变换取代传统工频变压器，并可根据需求灵活调整输出电压。

以伊顿固态变压器为例，其结构通常包括：

旁路开关（Bypass）；
中压功率单元（AC-DC + DC-DC）；
高频变压器；
低压功率单元（AC-DC 或 DC-DC）。

各单元的主要作用如下：

旁路开关
作为级联模块的备用通路，当某个功率模块发生故障时，可自动切换至旁路路径，保障整体系统持续运行。
中压功率单元
通过多级 AC-DC 模块级联实现高压分压和工频变压功能替代，每个模块输入电压被有效“切片”，可采用成熟的低压功率器件，从而在中压场景中实现标准化、模块化应用。
高频变压器
完成高低压之间的电气隔离，满足相关安全规范，并显著减小体积与重量。
低压功率单元
将高频交流转换为适合负载使用的直流电能，实现最终输出。

与巴拿马电源相比，SST 架构具有更突出的优势：

彻底去工频变压器：精简从中压 AC 输入到低压 DC 输出的全链路，消除工频变压器在体积、效率、成本上的固有问题；
高功率密度、高效率：

采用全 SiC 器件，提高开关频率、降低损耗；
中压功率单元峰值效率可达 99.5%；
高频变压器峰值效率可达 99.7%；
低压功率单元峰值效率可达 99.8%；
综合考虑控制及散热损耗，整机峰值效率约 98.3%，满载效率约 98%，整体优于巴拿马方案。

高可用性设计：

通过模块并联旁路 + N+2 冗余设计，实现单模块或双模块故障时仍不降额运行；
仅在每相有三及以上模块故障时才需要降额；
配合高级控制算法调整中性点电位，使系统可用性可达 0.99999 以上。

总体来看，SST 为构建紧凑高效的中压直接输入一体化高频 DC 不间断电源系统提供了有力支撑，也为后续的“中压能源路由器”奠定了技术基础。

四、能源路由器：从“UPS 设备”走向“柔性能源枢纽”

随着“碳达峰、碳中和”战略的深入推进，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为国家能源转型的重要方向。

然而，传统数据中心不间断电源系统在面对多类型新能源接入、多形式储能单元集成时存在诸多局限：

接口不统一、灵活性不足；
难以实现多源协同控制与能量优化分配；
无法充分发挥数据中心作为“柔性负荷与储能单元”的系统价值。

因此，具备多电能路由功能的能源路由器（狭义电能路由器）逐渐成为业界研究与实践的热点方向。

1. 低压能源路由器：超级 UPS

中国电源学会在 2019 年发布 T/CPSS1007-2019《超级不间断电源》团体标准，首次系统性提出了**超级 UPS（Super UPS）**的概念。

根据该标准，超级 UPS 具有以下关键特征：

多源输入能力：
可同时接入多种类型的发电单元，包括电网、燃气发电、新能源发电等。
其中，电网与燃气属于两种相互独立的基础设施，互为冗余，有助于显著提升系统整体可靠性。
多种储能单元接入能力：
不仅支持传统铅酸电池、锂电池，也可接入超级电容、氢能等多种储能装置，在输入能源故障时为负载提供持续电力。
多类储能单元相互独立，既利于扩展容量，也为新能源消纳与能量优化创造条件。
具备冗余容错的功率变换单元：
整体输出为三相固定频率交流电压，既满足现有数据中心 IT 设备和动力设备的配电接口要求，又通过柔性直流母线实现多源融合。

可以说，超级 UPS 将传统 UPS 从单一电源设备升级为具备电能路由功能的低压能源枢纽：

在不改变原有输入输出配电架构的前提下，通过内部柔性 DC 母线融合多种能源与储能，实现低压层面的能源路由与协同控制。

2. 中压能源路由器：以固态变压器为核心的升级形态

尽管超级 UPS 解决了多源融合的难题，但其交流侧依然沿用传统架构：

10kV 中压必须先通过工频变压器降压至 380V，再进入 UPS 再配电供负载。

正如前文所述，此种架构在占地、效率及系统复杂度上的问题日益凸显。

为此，伊顿提出了以固态变压器为核心的中压能源路由器概念：

通过 SST 直接接入中压侧，取消 10kV/380V 工频变压器，将多源接入、储能融合与路由功能上移到中压直流母线，实现对传统超级 UPS 架构的全面优化。

中压能源路由器具有以下显著特点：

全柔性架构的固态电子设备
以全电力电子化方案代替传统工频设备，实现高度集成、高度灵活、高度兼容的系统形态。
多电压等级 AC/DC 接口支持

能够在 AC 10kV 侧与电网实现双向能量交互；
在 DC 750V 等中压直流侧实现风电、光伏、新能源车充电桩、分布式储能等多种能源的即插即用与平滑接入。

多能源潮流的按需路由与分配
在 DC 750V 母线侧，可根据负载需求与电价、碳排放等策略，对多种输入与输出能源进行智能路由分配，大幅提升电网与数据中心的灵活性。
对 IT 与动力负载的直接对接
中压直流母线可直接对接 IT 负载和动力负载的中间 DC 母线，减少末端供电环节，提高系统效率，简化负载电源结构。
信息流与能量流的深度融合
通过数字化监控与高级控制算法，实现能源流与信息流在任意节点上的双向流动，支持自主控制与全局能量管理。