AI数据中心电源:HVDC替代UPS?

基本原理

高压直流输电是将三相交流电通过换流器（整流器）转换为直流电，然后通过直流输电线路进行传输，在受电端再通过换流器（逆变器）将直流电转换为三相交流电，供给用户或电网。其核心设备包括换流变压器、换流器、平波电抗器、直流滤波器等。

优势

输送容量大

能够实现大容量的电力输送，满足大规模能源基地与负荷中心之间的长距离输电需求，例如我国的西电东送工程，很多线路采用 HVDC 技术实现了千万千瓦级的电力输送。

输电距离长

与交流输电相比，直流输电在长距离输电时具有较低的线路损耗，在输送相同功率的情况下，直流输电线路的电阻损耗仅与线路电阻和电流平方有关，没有交流输电的感抗和容抗引起的损耗，因此适用于远距离输电，如向海岛上输电等。

不存在稳定问题

交流输电系统存在同步运行稳定性问题，而直流输电不存在这一问题，它可以快速调节功率，能够有效支撑受端电网的稳定运行，提高电力系统的可靠性和稳定性。

便于联网

可以实现不同频率、不同相位的交流系统之间的互联，而不需要像交流联网那样进行复杂的同步调整，有利于构建跨区域、跨国的大型电力网络。

HVDC

即高压直流输电，主要用于实现长距离、大容量的电能传输，将交流电转换为直流电进行传输，再在受电端将直流电转换回交流电，以减少长距离输电过程中的电能损耗，实现不同区域电网之间的高效互联。

UPS

即不间断电源，主要用于为特定的用电设备提供稳定、不间断的电力供应，在市电出现故障或电压异常时，能迅速切换到电池供电模式，保障设备的正常运行，防止数据丢失或设备损坏。

发展趋势

HVDC

电压等级不断提高，向更高电压、更大容量的特高压直流输电发展，以满足大规模能源输送需求。与新能源发电的融合更加紧密，适应新能源的波动性和间歇性，实现新能源的高效并网和消纳。多端直流输电技术和柔性直流输电技术将得到更广泛应用，提高电网的灵活性和可控性。

UPS

朝着更高效率、更高功率密度方向发展，以减少能耗和占地面积，提高设备的性能和经济性。智能化程度不断提升，通过物联网、大数据等技术实现更精准的监控和管理，提高运维效率和可靠性。与分布式能源和微电网的结合日益紧密，成为微电网中保障电力供应稳定性的重要组成部分。

1、数据中心电源核心观点

电源主流方案及趋势：当前我国数据中心供电系统主流方案为UPS和HVDC，还有巴拿马电源和电能路由器。巴拿马电源主要由阿里部署，电能路由器针对未来绿色数据中心源网荷储一体化。随着数据中心功率提升，HVDC渗透率将提升，因其电能效率和可靠性更高，在占地面积和成本方面更具优势，未来新建数据中心中HVDC或替代大部分UPS成为主流。

2、数据中心电源架构情况

供配电系统重要性及组成：数据中心供配电系统相当于心脏和血管，将电能输送到各设备，故障会导致IT设备断电，造成重大经济损失，重要性极高。主要包括高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统、输入低压配电系统、不间断电源系统、列头柜、小母线系统以及机架配电系统，其中不间断电源系统是数据中心电源。

供配电系统架构类型：我国数据中心供配电系统主要有2N、DR、RR三种架构。2N系统由两个供配电单元组成，正常时互为备用，各提供50%电能，一个单元故障时另一个提供100%电能；DR系统由不少于三个相同供配电单元组成，同时工作，将负载均分成N组，每个单元为本组及相邻负载供电，正常负荷率66%，一个单元故障时相邻单元供电；N + 1冗余系统由多个供配电单元组成，一个作为备用，有单元故障时通过切换装置让备用单元供电。

不间断电源分类及特点：不间断电源主要分为UPS、HVDC、巴拿马电源、电能路由器四类，UPS和HVDC应用最多。UPS由整流器、逆变器、蓄电池组和切换开关组成，正常时市电经整流、逆变后供电并为蓄电池充电，市电异常时蓄电池放电供电，整流或逆变环节故障时通过切换开关旁路供电；HVDC由交流配电模块、整流器、直流配电模块、蓄电池组和监控装置组成，整流器是核心，市电正常时整流后供电并充电，市电故障时蓄电池供电，省去逆变环节，电源效率更高；巴拿马电源将10千伏配电等核心环节柔性集成，最早由阿里联合台达开发，本质是高压直流供电形式，通过省略中间环节提升系统效率、减少占地面积，目前主要由阿里大规模部署，渗透率较低；电能路由器是具有电能变换等综合功能的电力电子变压器，优势是改善电能质量等，面向结合新能源和市电的数据中心，未来应用比例有望提升，但目前未大规模实际应用。

3、HVDC替代UPS趋势

替代原因：一是随着AI数据中心功率需求提升，电源效率要求更高，HVDC输出电压多为240伏和336伏，240伏直流电可兼容原交流220伏供电的IT设备，转换顺滑，且省去逆变环节，降低电能损耗、提高可靠性；二是HVDC在占地面积、建设成本和运营成本上优于UPS，以1100千瓦供电系统为例，HVDC效益更佳。目前各大科技巨头都在研发部署HVDC方案，未来HVDC渗透率有望持续提升。

过去导入慢的原因及现状：过去HVDC导入速度慢，一是因为UPS是主流方案，有相对标准化设计，大家习惯使用；二是传统数据中心功率密度要求不高，HVDC在效率方面改进效果有限。现在随着AI快速发展和技术迭代，AI芯片功率提升，供电系统需要更大功耗和更低功率损耗，HVDC能带来明显改善，需求大增。

4、HVDC市场空间与竞争格局

发展历史与应用情况：HVDC技术起源于海外，在我国应用更快，2007年开始在我国广泛应用，最早在传统运营商通信网络中应用较多，因通信设备常用 – 48伏直流供电，运营商熟悉直流电系统。后期互联网运营商大规模建设数据中心时，对HVDC应用需求快速提升。海外数据中心HVDC应用处于起步阶段，微软、谷歌等联合台达电研发推广，预计2026年下半年海外云厂商数据中心将推出HVDC方案。

对服务器电源的影响：目前我国数据中心HVDC输出电压多为240伏，现有头部服务器电源企业的ACDC电源产品大多支持240伏直流输入，HVDC应用对后端服务器ACDC电源应用规模影响较小。但从中长期看，若HVDC向300伏以上更高电压等级发展，现有ACDC服务器电源难以兼容，后端服务器电源可能有从ACDC向DCDC发展的趋势。