一、引言
　　
　　在数字化时代的浪潮中，AI技术的蓬勃发展引领着科技变革的前沿。黄仁勋提出的“算力的尽头是能源”这一论断，精准地揭示了AI发展与能源之间紧密交织的关系。AI领域对算力的极致追求，正全方位重塑数据中心的技术格局。从云数据中心向AI智算中心的演进过程中，单机柜功耗发生了惊人的变化。过去普遍维持在8kW的单机柜功耗，如今已跃升至30kW以上，而最新的英伟达GB200NVL72整机柜单柜功率更是高达120kW。
　　
　　如此迅猛的功耗增长，给当前数据中心供电模式带来了前所未有的挑战。面对智算中心的高功率机柜需求，传统方案输出电压太低、输出电流太大的问题正在凸显，随着未来机柜功率密度的进一步提升，可能出现无法正常供电的潜在风险。由此可见，研发全新的供电架构，契合智算中心日益增长的算力需求已迫在眉睫。
　　
　　二、传统供电模式面临的挑战
　　
　　1.AC10kV/380V工频变压器+UPS供电模式
　　
　　UPS供电模式作为当前数据中心最主要的供电模式，其输出电压为220V。当单机柜功耗从8kW提升到120kW时，其需要的电流根据I=P/U计算，也从8kW/220V=36A变成了120kW/220V=545A。这么巨大的电流不仅在传输线路中会产生成平方级增长的线缆热量损耗(I²Rt)，导致能源的大量浪费，还会带来严重的安全隐患，更主要的是增加了从配电开关、配电线缆及机柜PDU布设的复杂性与难度。随着后续智算中心负载功率的进一步提高，这样大的电流要用合理的布线输入到机柜内部将变得越来越困难，甚至未来可能变成不可能的事情。
　　
　　从AC10KV到机柜输入端的系统效率看，变压器效率设为99%，最通常的4台UPS并机系统的目前的最高效率为96.8%左右（目前单机最高效率可达97.5%），忽略配电及线缆系统的损耗，其系统效率仅为96.8%×99.2%=96.03%。
　　
　　2.AC10KV/400V工频变压器+DC240VHVDC供电模式
　　
　　DC240VHVDC供电模式作为当前部分头部互联网企业和通信运营商数据中心的选择，虽然在一定程度上提高了供电电压（工作电压276V），但面对如英伟达GB200NVL72整机柜120KW这样的超高功率仍显不足，其需要传递的电流依然高达120KW/276V=435A，同样存在前面UPS中提到的发热与布线复杂的问题。此外，该模式仅能为IT服务器供电，对于动力负载则无能为力，需要额外配置UPS供电设备，增加了系统成本和管理难度。
　　
　　就AC10KV到机柜输入端的系统效率看，变压器效率设为99.2%，目前资料上显示的各品牌HVDC最高效率在96.5%左右，忽略配电及线缆系统的损耗，其系统效率仅为96.5%×99.2%=95.7%。
　　
　　3.巴拿马电源供电模式
　　
　　巴拿马电源作为对“AC10KV/400V工频变压器+DC240VHVDC”的集成化升级，在谐波处理与减少变换级上做了创新，提升了从AC10KV到机柜输入端的系统效率，最高效率可达97.5%，但其外电气特性与HVDC相同，其功能局限性与DC240VHVDC供电模式类似，对高密高功率的算力负载来说，电流太大的问题依然没有改变，也无法为动力负载供电，限制了其在智算中心复杂供电需求场景下的应用。
　　
　　三、全新供电制式的选择
　　
　　对于未来的高密高功率智算数据中心来说，提高供电电压可能是必然也是“不得已”的选择，不仅仅供电系统需要改变，智算中心的IT及动力负载的输入电源接口都需要做同步的改变。这就带来两个问题：
　　
　　1）新的供电制式是选择交流还是直流？
　　
　　2）电压是多少伏？
　　
　　1.选择AC制还是DC制
　　
　　提到交直流选择，大家自然就会想起十九世纪末的特斯拉与爱迪生的世纪大战，最终特斯拉的交流制赢得了完胜。在当时的背景下，选择AC无疑是非常正确的选择，因为电发出来后首先需要解决的是远距离传输问题，在当时的条件下直流电发出来后就无法升压和降压，也就意味着无法进行远距离传输或者无法安全使用的问题，而交流电通过变压器可以很方便地实现升、降压来进行远距离传输和安全使用。其次是，当时电的主要用途是照明和马达，对于照明来说交直流都行，但对马达来说交流电机比直流电机结构要简单得多，运行的可靠性也高得多。所以选择交流制，符合当时的时代需求。
　　
　　但是对于现代智算中心供电选择直流还是交流，这就需要结合当前的技术背景来分析。随着电力电子技术的迅猛发展，直流的电压变换问题已经被完美解决，目前国家电网的特高压直流传输可达±800KV，交、直流的变压都不是问题。其次是智算中心的IT负载和动力负载更适合哪类电来供？当前IT负载内部多为开关电源，动力负载内部多为变频器，尽管目前它们的输入都为交流，但是交流进入后的第一级变换都是AC变为DC，如果采用电压匹配的直流直接向这个直流母线供电，就可省掉这一级的变换，提高能源利用效率的同时还简化了电源结构。因此，就负载供电来说，DC制式供电无疑比AC供电有更简化的结构和更高的效率。
　　
　　2.选择什么样的供电电压
　　
　　智算中心全新供电电压的选择，首要的是在符合国标规定的情况下，同时满足高密机柜和动力负载的供电需求。国标GB/T35727-2017《中低压直流配电电压导则》规定了低压直流配电系统的电压等级主要包括优选值和备选值两类，其中优选值只有3个电压等级，即DC220V、750V(±375)和1500V(±750)。而当前IT负载内部直流母线电压一般为DC380～410V左右，由AC220V整流和PFC电路产生；动力负载直流母线电压为DC530～570V之间，由AC380V整流产生。由此可见，目前没有任何标准电压可以同时满足两类负载的供电需求，需要对两类负载的直流母线电压做标准化的“适度升级”才能满足，结合国标的电压优选值，无疑DC750V是最接近要求的理想选择。
　　
　　DC750V作为国标中低压配电系统的优选电压等级，在新能源、充电桩、储能、轨道交通、工业自动化等领域已经得到了广泛的应用，其技术的匹配性、成熟性、经济性与产业配套的完整性都得到了长期的实践检验。主要从以下三个方面体现：
　　
　　1）从配电系统中比重最大的直流断路器和电缆来看，一个三相380V/630A的三匹交直流断路器基本等价于一个750V/630A的两极直流断路器（如库柏将推出的750V直流断路器），但是后者的可带载额定功率可达472.5KVA，为前者的1.13倍。
　　
　　2）就电缆看，AC380V和DC750V可以共用AC0.6/1KV等级的电缆，以一台数据中心最常用的AC380/600KVAUPS为例来看，其输出额定电流为909A，3相4线需采用8根240mm²单芯铜电缆，而对DC750V/600KVA输出的电源来说，其输出电流为800A，正负两线仅需要4根240mm²单芯铜电缆，可节约一半的电缆用量。
　　
　　3）对新能源体系，DC750V是一个标准电压，通过一次变换就能实现与储能、风光等新能源的匹配。
　　
　　所以DC750V无论是技术性还是经济性都是未来智算中心供电最优的选择，当然这一电压的确定需要由新的智算中心国家标准来规范，本文仅仅是抛砖引玉。
　　
　　四、智算中心中压能源路由器供电方案原理与实践
　　
　　基于对未来智算中心供电问题及其挑战的前瞻性认知，业界头部公司已开启相应的技术实践，如伊顿联合合作伙伴开展了国内首套智算中心中压能源路由器供电方案的部署，并发布了技术白皮书。
　　
　　1.能源路由器的定义
　　
　　根据GB/T40097-2021《能源路由器功能规范和技术要求》，能源路由器涵盖广义与狭义两个层面。广义的能源路由器能够实现电、煤、油、气、风光、热等不同能源载体的输入、输出、转换、存储、互联互补以及生产与消费环节的有机贯通，实现不同特征能源流的融合、分配和管理。
　　
　　在本文中，我们聚焦于狭义的能源路由器，即电能路由器。它专注于电能的多端口流通、高效变换、灵活分配与智能管理，是构建新型电力系统的关键设备。
　　
　　2.智算中心能源路由器架构的原理组成
　　
　　典型的中压能源路由器如图1的红色虚线框所示，图中各黄色模块构成了能源路由器的功能子模块，为多端的源网荷储进出提供了多口多向的路由功能。系统由双向中压固态变压器(SST)、多个双向储备一体电池DC/DC变换器（可实现铅酸、锂电、钠流等电池的单独接入或混接）、单向新能源变换器（接入光伏或风电）、IT负载直流接入、动力负载直流接入、单向DC/AC逆变器（接入交流负载）等组成，系统可根据需要增加其它功能子模块，系统内各功能子模块可在“软件定义动力”的智能管理系统的统一调度与控制下实现用户预设的能源调度与交互，在保证智算中心负载供电的同时，实现能源利用效率与系统可靠性平衡的最优解。系统解析如下：
　　
　　1）中压固态变压器(SST)实现电网与直流母线间的能量双向变换
　　
　　SST作为中压能源路由器的最核心部件，承担着将电网的AC10KV电能与柔性DC750V供电母线进行能量双向变换的重任。当前SST实现的技术路线主要有两类：
　　
　　(1)中压直接变换的方案：如采用高压SiC功率器件或低压IGBT器件串联的方案；
　　
　　(2)对AC10KV进行电压拆分的变换方案：从成本与可靠性的综合评估看，业界在中大容量领域更倾向于后者。电压拆分方案的基本原理都是先对中压市电进行输入分相及串联分压，然后经三级变换后再输出并联来完成整个中压AC10KV到DC750V的变换，简称输入串联输出并联架构(ISOP)，图2为级联H桥变换器方案的SST主电路原理图。电压拆分方案的STT三级变换过程解析如下：
　　
　　第一级变换：实现AC10KV的分压与AC/DC变换功能。最常用的实现方式是级联H桥变换器(CHB)和模块化多电平变换器(MMC)，其原理图如图3所示。两者的核心逻辑都是通过对单相交流中压进行多变换器的串联分压，如AC10KV的相电压为5,77KV，通常需要拆分到AC480V以下，才能方便用常规耐压如1200V的IGBT或MOS管功率器件来实现AC/DC的变换。由于采用串联结构和无零线输入，每个变换器模块在保持自身正常AC/DC变换的同时，还需要很精准的算法来保持各模块间输入侧的均压与均流控制，同时保证三相电流的均衡和中性点的稳定。尽管MMC能输出经分压的低压直流和合成的中压直流，在有些应用场景下可用来组建中压直流环网，实现中压直流级的能量路由，但也存在分布电容数量多，电容电压平衡复杂等问题，因此笔者更倾向于选择CHB方案。
　　
　　第二级与第三级变换：来自第一级的低压DC（注：中压点位）经第二级的DC/AC变换变为数十KHZ的高频AC，通过高频变压器进行中压侧与低压侧的电气隔离与变压后输出到第三级，第三级再将这一低压高频AC经AC/DC整流变为低压DC，来自所有模块的低压DC在输出端并联，完成SST的DC750V输出。
　　
　　STT中二、三极变换器最常用的方案是采用双向全桥变换器(DAB，如图4)或谐振型双向全桥变换器(CLLC，如图5)。DAB变换通常采用占空比控制和移相控制来实现对传输功率大小、方向和输出电压的控制，确保各模块输出电压的稳定和功率的均衡，动态性能好，选择合适的线路电感和提高负载率可优化零电压开关性能(ZVS)，通过固定开关频率简化变压器的设计，比较适合于高功率和中等电压比的应用场合。而CLLC变换通常通过调频控制来使谐振网络工作在不同的频段，实现较宽的电压调节能力和更强的稳定性，CLLC自然实现了ZVS/ZCS，但动态响应性能较DAB略差，调频范围宽也导致了变压器设计的复杂化，适合需要高频化和宽电压范围的应用场景。二、三级变换器之间的高频隔离变压器也是非常关键的部件，需要在磁芯材料、绕组结构、漏感控制、绝缘设计四个维度实现严格的平衡，同时满足高功率密度、中压耐压的核心要求。综上所述，对于智算中心大容量、高负载率、恒电压的供电需求，无疑DAB架构是更优的选择。
　　

　　2）储备一体蓄电池DC/DC变换器模块实现电池与供电母线的能量双向变换
　　
　　这一变换器可根据用户需求配置多个不同的变换器，实现多组铅酸、锂电、钠流等电池的单独接入或混接，负责将储备一体蓄电池的电压与DC750V供电母线进行能量双向变换。在电网用电低谷期，中压能源路由器控制这一变换器，使锂电池从电网吸收电能进行充电；在用电高峰期或电网故障时，锂电池通过这一变换器向供电母线放电，为智算中心负载供电，实现峰谷套利和备用电源功能。
　　
　　3）新能源接入变换器模块实现新能源与直流供电母线的单向变换
　　
　　新能源（光伏和风能）可通过DC/DC或AC/DC变换器模块与直流供电母线对接。在光照（风能）充足时，光伏板（风能）产生的电能通过DC(AC)/DC变换器转换后，优先为数据中心负载供电，多余电能则存储到储能电池或回馈到电网，实现新能源的有效利用。当前数据智算中心建设西移，提供了丰富的新能源接入应用场景。
　　
　　4）供电母线与智算中心IT和动力负载的单向直接供电
　　
　　通过对IT负载电源和动力负载变频器的定制化改进（未来需要国标化），使这些负载内部结构完全匹配DC750V直流母线的供电电压，实现直流供电母线直接向IT和动力负载的供电，减少了传统负载内部的AC/DC环节，提高供电利用效率和稳定性。在IT算力负载电源标准化前，也可评估通过机柜端配置DC750/DC48V变换模块来供电。
　　
　　5）交流负载接入DC/AC变换器模块实现零星交流负载的接入
　　
　　对于智算中心可能还有零星的交流负载，可采用配置DC/AC逆变器模块来接入。
　　
　　五、智算中心750V柔性直流供电方案的应用优势分析
　　
　　1.可用性优势
　　
　　1）中压能源路由器通过多能源接入和储备一体保证了智算中心供电系统最大的可用性。配置有多个能源路由器的大型智算中心，还可以利用直流天然的并网功能，将能源路由器输出联接成直流环网，构成池化的直流共享源，用来消除AC供电系统里经常出现的多路IT负载系统间容量不平衡的问题，最大限度利用宝贵的电网容量资源。
　　
　　2）选定750V柔性直流供电，在同系统容量下，供电电流仅为传统电源方案1/3而且没有集肤效应与临近效应，使输出配电电缆的成本下降一半左右，大幅度减轻高密机柜布线的复杂性，提高了系统运行的安全性和和可运维性。传统的HVDC或巴拿马系统，尽管是DC276V输出，但是需要按电池的最低电压210V来选择输出配电电缆线径和开关容量，相当于增加了约30%的容量浪费。能源路由器方案，采用电池非直挂直流母线的方案设计，输出电压恒定为DC750V，无额外的容量浪费。
　　
　　3）对于SST这个核心部件，从中压交流输入、功率转换到低压直流输出的全配电链路环节，采用了全链路模块化的冗余架构，消除了传统配电系统工频变压器这个单点故障点，同时针对输入级串联带来的串联系统可用性问题，则采用了串联功率单元旁路及每相N+2冗余设计，也就是当每相某个或某两个功率模块出现故障时，可旁路掉故障功率单元，实现不降额运行。只有在某相三个及以上功率桥臂出现故障时，才会导致系统停机。此外，SST选配高端控制算法，可以主动微调中性点电位，使得每相两个桥臂出现故障时仍可正常运行。标配系统的可用性大于0.99999。
　　
　　中压能源路由器的变换单元采用了退饱和电路等高可靠性的功率器件保护技术，使功率器件失效的概率降到最低；内部的中低压模块都做成可插拔设计，当系统出现故障需要更换模块时，可断开直流输出开关，负载由蓄电池供电，并在15分钟备电时间内完成系统停机、功率单元模块更换以及系统的重新启动。同时，系统内置综合管理系统对整个供电链路的电量参数（电压/电流等）、非电量参数（温度和绝缘状态等）等关键指标进行实时监控，其丰富的内置网络通讯端口和友好的界面为当地和远程监控管理提供了便利条件，从而确保极短的MTTR。
　　
　　2.高效节能优势
　　
　　由表1可见，中压能源路由器在通过市电向负载供电时，其端（10KV中压输入）到端（IT负载直流母线端）的效率高达98.3%，明显高于UPS系统、HVDC系统及巴拿马电源等传统的供电方案。
　　
　　3.空间与重量优势
　　
　　中压能源路由器采用先进的电力电子技术和高频变换技术，去除了10KV/380V工频变压器，使系统体积与重量都大幅减小。对于数据中心典型的2.4MW供电系统而言，中压能源路由器方案占地面积约9m²，而巴拿马电源需要11m²，中压变压器+UPS或中压变压器+HVDC系统则需要约18m²；其次，由于中压能源路由器方案去除了工频变压器，使系统总重量可下降30%以上。占地面积与重量的减少，为智算中心释放了宝贵的可用空间，便于设备布局和未来扩容，同时减轻了建筑的承重压力。
　　
　　4.多能源接入和储备一体优势
　　
　　该方案能够轻松实现多种分布式新能源（如光伏、风电）的接入，并与储能系统无缝对接，实现能源的双向流动和优化调度。可根据数据中心负载的实时变化，快速调整供电策略，灵活性远高于传统供电模式。在峰谷价差较大的区别，可以构建储备一体的备用电池系统，实现峰谷套利。
　　
　　5.快速交付优势
　　
　　该方案将从中压输入配电到低压输出配电的整个供电环节在工厂集成为标准化、模块化的产品，分立运输到现场后，仅需要约一周左右的工程施工及安装调试，就可实现快速交付，大幅度节约工期。
　　
　　6.不足分析
　　
　　设备成本高：目前中压能源路由器采用了先进的电力电子器件和复杂的控制电路，其设备采购成本相对较高，可能比传统同容量供电设备高出10～30%左右。
　　
　　维修停机问题：当SST的中压模块故障时，由于其直连交流中压输入，尽管是模块化的插拔设计，但是根据国家中压电力操作规范，还是需要停机才能进行维修（维修约15min内，此时该路负载由电池带载）。
　　
　　六、结论
　　
　　基于中压能源路由器的750V柔性直流供电系统，在软件定义动力的智能管理系统调配下，在多能源接入、能源的多向流动、储备一体、能源池化、高效供电、减少供电环节、提高功率密度等方面，为未来智算数据中心的高密需求提供了完美的供电解决方案，使智算中心能在保证重要算力负载高可靠性运行的同时，契合绿色低碳运行的时代责任。随着电力电子技术的发展和规模化的应用，能源路由器的性能与功能必将得到进一步的提升，而成本有望降低到与传统方案相当的水平，满足智算中心运营商的综合Capex需求。
　　
　　作者简介
　　
　　王伟，电力电子学硕士，伊顿关键电源首席专家（历任华东华南区销售总监、中国区销售总监、大中华区应用技术总监），中国勘测设计协会电气分会常务理事，《数智元》杂志编委，CDCC《数据中心备用电源白皮书》主编，参加过多部国家电源相关标准和行业白皮书的编审。在中国最早论证了“零地电压问题的非科学性”，开启了大功率高频机在数据中心的第一例及全面应用；在中国最早提出并实践了“数据中心的交流直供制式”，开启了数据中心供电系统的绿色低碳转型。
　　
　　李海平，伊顿关键电源总经理，清华大学毕业，香港科大MBA。曾长期在IT行业从事技术与业务管理工作，历任DELL大中华区网络总经理、DellEMC大中华区存储业务总经理等，是中国最早的思科认证网络专家之一，在中国最早提出了“软件定义网络”、“软件定义存储”的理念，转任伊顿后创新提出了“软件定义动力”概念来推动数据与能源的融合。
　　
　　朱丽丽，拥有20余年电气行业产品研发、产品管理与市场营销经验，曾任职于西门子、通用电气、施耐德、伊顿等知名企业。2024年参编《能源路由器在数据中心的创新和实现》白皮书，积极推动能源路由器技术在智算中心时代的普及应用与迭代升级，助力其在中国头部数据中心的试点落地。主导所在公司成为多个行业协会的会员，包括中勘协、中国电源学会，中国IDC圈、数据中心节能委员会、深圳数促会理事会员等，积极推动行业的发展。
　　
　　编辑：Harris