数据中心800V直流供电技术白皮书（1.0）

800V直流供电技术白皮书（1.0） WhitePaperon8oovDCPowerSupplyTechnologyforDataCenters 数据中心800V直流供电技术白皮书（1.0） 主编单位： 中讯邮电咨询设计院有限公司中数智慧信息技术研究院中达电通股份有限公司 参编单位： 抖音视界有限公司北京快手科技有限公司深圳市腾讯计算机系统有限公司阿里云计算有限公司北京世纪互联宽带数据中心有限公司普洛斯普瑞数据科技（上海）有限公司华信咨询设计研究院有限公司科华数据股份有限公司施耐德（广州）母线有限公司浙江正泰电器股份有限公司宁波奥克斯智能科技股份有限公司江苏亚威变压器有限公司 课题技术负责人：钟景华主要起草人：杨瑛洁主要参编人：叶新平张彦和赵净李典林陈纪俊张佳斌林炎华杜华锐宫伟达刘荣青丁海峰姜晓君焦中原胡雄伟梁东军王海成王翔宇安昱王彦鑫田正稳 序言 在全球数字化浪潮中，算力已成为核心驱动力，推动数据中心间更高性能演进。随着单机柜功率从6kW向600kW基至更高水平迈进，传统交流供电的局限性日益凸显，DC800V直流供电技术应运而生，凭借其高效、可控、灵活及节空间的显著优势，成为数据中心能源架构革新的关键。《数据中心800V直流供电技术白皮书（1.0）》聚焦技术演进，深入解析DC800V直流供电系统的原理、关键技术与应用价值，旨在为该技术的进一步发展提供支撑 本白皮书在编制过程中，编制组花费了大量心血，广泛征求多方面意见，经过多次研讨和专家论证，最终定稿为1.0版本。编制组将在此版本基础上，继续对内容进行深化，计划将在2025年11月推出2.0版本。感谢编制组所有成员为此做出的贡献。白皮书内容解释由中数智慧信息技术研究院负责，在应用过程中，如有修改和补充的建议，请将有关资料Email至：service@cdcc2009.com 前言 在全球数字化进程加速的背景下，算力已成为推动社会经济发展的核心驱动力。以人工智能、云计算、物联网为代表的新一代信息技术，正在驱动数据中心向600kW其至更高功率迈进，传统的交流供电在系统效率、空间占用、新能调整合等方面的局限性日益凸显。在此背景下，直流供电系统凭借其高度的可控性、灵活性、高效能和环境友好性，成为数据中心能源架构革新的一项选择。以固态变压器为关键转换设备的800V直流供电系统通过减少交直流变换环节和提升电压等级，有效降低了供电传输损耗及用铜量，提升了系统端到端的整体运行效率，并大幅节省空间占用，其技术经济性和电压适配性得到很好地皇现 本白皮书聚焦于数据中心技术及供配电系统架构的演进趋势，对数据中心直流供电系统发展历程、工作原理和关键技术等方面进行了详细的梳理，希望通过对直流供电系统从理论到实段的深度解析，进一步促进数据中心直流供电技术的发展 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这此专利的责任。 目录 3数据中心供电系统的发展历程和技术演进3 3.1数据中心交流供电系统3.2直流供电的兴起，3.3国外发展现状 4800V直流供电系统的工作原理和关键技术 4.1800V直流供电系统架构研究4.2800V直流供电系统的优势，.104.3关键设备：SST（固态变压器）134.4关键设备：末端转换设备.174.5保护器件184.6直流接地系统.204.7负荷适配性研究..224.8蓄电池接入25 5未来展望与思考26 5.1固态变压器的局限性与挑战265.2关于直流母线275.3交流用户何时切入直流供电系统5.4未来发展.. 1引言 通者AIGC技术的迅速发展，全球各行客业止经历者从传统模式回数子化智能化的深刻转型，这导致数据中心的数据量呈指数级增长，对数据处理能力和计算速度提出了更高要求。CPU/GPU芯片功耗随着算力提高也大幅提升，过去5年，CPU功耗从130W提升至500W，GPU功耗从250W提升至1200W，进而导致单机柜功率持续大幅提升。面向下一代AI芯片与计算架构，单机柜的功率会很快提升到数百于瓦，其至笑破1MW。功率容量及功率密度的大幅提升使数据中心的电力损耗、用铜量、机房区占比都受到极大的挑战，传统的供电系统将很难满足需求 随着电力电子技术的快速发展，DC800V柔性直流供电成为数据中心供电系统的重要发展方向，可有效支撑数据中心供配电系统向高效率、高功率密度、低占地面积和智能化控制过渡，并可兼容新能源接入。 数据中心800V直流供电技术白皮书（1.0） 2术语和缩略语 下列术语和缩略语适用于本白皮书。 AIGC：人工智能生成内容（Artificial IntelligenceGenerated Content） BBU:电池备用单元(BatteryBackupUnit) Cap Shelf:超级电容架(SuperCapacitorShelf) CPU：中央处理器（CentralProcessingUnit），是计算机系统的核心组件，主要负责执行指令、处理数据、协调计算机各部件工作等关键任务 GPU：图形处理器（GraphicsProcessingUnit），是一种专门用于处理图形染和大规模并行计算任务的硬件组件。 HVDC：高压直流（HighVoltageDirectCurrent），通信和数据中心使用的HVDC通常指标称电压在1500V以内的直流电压。 ICT：信息与通信技术（InformationandCommunicationsTechnology） IT：信息技术（Information Technology） IGBT：绝缘栅双极晶体管（Insulated GateBipolarTransistor） ISOP：输入端级联，输出端并联（InputSeriesOutputParallel） Meta：美国互联网科技公司，原名Facebook MTBF：平均无故障时间)（MeanTime Between Failures） MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-OxideSemiconductorField Effect Transistor ) UPS：不间断电源（UninterruptiblePowerSupply） 固态变压器：英文名SST，SolidStateTransformer，也称电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，简称PET），是利用电力电子变换技术来实现电压等级转换和电力传输的智能化设备。 灰白区：在数据中心中，白区指机房内部放置机架的区域，主要用于部署IT基础设施：灰区是指白区之外，支择数据中心运行的机电设施区域 3数据中心供电系统的发展历程和技术演进 3.1数据中心交流供电系统 数据中心交流供电系统为用电设备提供安全可靠的电能供应，通常包括10kV配电、1VV的变电和低压配电环节（国外的电压标准不同，电压数值会有差异，但整体架构类似）。数据中心供电系统的核心要求是能够保障数据中心中ICT设备全年无休不间断工作，既包括直接间ICT设备提供电能，也包括向为ICT设备正常工作提供稳定环境的其它辅助设备提供电能，如空调、监控等设备用电。 根据数据中心重要程度的不同，国内外都对数据中心供电系统提出了不同的标准要求，比如国内的GB50174《数据中心设计规范》将供电可靠等级分为A、BC三级，国外的TIA-942《数据中心通信设施标准》将供电可靠等级分为T1、T2、T3、T4四个等级，其中的A级和T4级要求最高，需要具备容错能力，要求在一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统正常运行。通常用户习惯使用交流不间断电源（UPS）作为供电系统的核心设备， 数据中心UPS低压供电系统是指从10V变压器低压绕组输出端子开始，经过低压配电柜、UPS、精密列头柜以及PDU等配电设备，将能量层层传递至服务器电源，最整终转换成不同低压直流环节输出，为服务器CPU、存储等设备提供不间断的电能。该供电架构的供电链路长，节点设备多，所以占地面积较大、供电效率也不高。 为了提升电力设备的建设速度、供电效率，减少占地面积，近年市场上出现了预制化电力模块设备。电力模块是将低压供电系统中的配电、UPS、馈线柜等设备集成为一体，有的还包括上游的中置柜和变压器，整体实现在工厂预制、一体化运输、一体化安装。根据测算，与传统的数据中心低压供电系统相比，电力模块的占地面积可以至少节省30%、建设周期节省50%，总体投资节省10%。预 数据中心800V直流供电技术白皮书（1.0） 制化电力模块设备在未改变配电结构和原理的前提下进行了较好的集成化手段，为数据中心建设带来显著的效益，逐渐被用户认可， 随者用电负荷密度的进一步提升，预制式电力模块设备受限于传统的供电架构和电压等级，整套系统的供电效率和供电密度很难有更大提升，在场地占用面积、系统能效、新能源消纳等方面还存在一定的技术局限。 3.2直流供电的兴起 高压直流（HVDC）供电系统的出现已经有一段时间了，最早是因为需要取代电信行业的一48V供电系统，取得更高的供电效率，扩大供电半径，引入了240V和336V标称电压的HVDC供电制式。该技术因减少交直流变换环节，密电池组距离末端负荷更近，成为了与传统UPS并行发展的可替代方案，在互联网、运营商、超算、金融等领域的大型数据中心具有一定应用。HVDC诞生和进入数据中心供电的初始动力是它比UPS少一级DC-AC转换，电池直挂输出，不会受到道变器状态的影响，并且服务器最终使用的也是直流。数据中心接受DC240V供电的现实基础主要有两个，一是传统服务器能够直接接入DC240V，二是原有的AC220V供电线路和设备能够直接适用DC240V 在实际应用中，电池直挂确实能够提升供电系统的可靠性，但是HVDC系统与电池组之间还是需要DC-DC转换进行连接，并且它的输入跟UPS一样也是低压交流，所以设备效率并没有比UPS有明显的提升。加上数据中心还无法完全使用直流供电，有的租赁客户仍然预间于传统的交流供电，所以HVDC主要在互联网，运营商、超算、金融等领域的自用机房中使用，全行业来看占比不超过20%。 1V交流输入的直流不间断电源系统（又称巴拿马电源或者中压直供电源）就是240V供电电压的HVDC系统的典型方案。该系统是在分散的240VHVDC基础上进一步集成，将上游的中置柜和变压器也包括其中，实现供电系统的预制化和集成化。主要特色是用移相变压器替代了传统的降压变压器，移相的同时进行负载分组，可以有效降低系统的电流谐波含量并提升输入功率因数。与传统低压输入的分散式240VHVDC系统相比，10kV交流输入的直流不间断电源系统体积更小、效率更高。系统的输出电压可以是DC240V或者DC336V，也可以根据需要进一步提升，并兼顾AC220V，具有一定的进步性。但是由于该设备中10kV的移相变压器采用铜线绕制，所以还稍显笨重，成本也受到铜材的硬性限制难以 数据中心800V直流供电技术白皮书（1.0） 下降。 随着IT机柜功率密度的提升，数据中心供电电压提升成为行业发展趋势，DC800V或者±DC400V输出的HVDC可能会作为一个过渡性方案被市场所接受。更高电压的HVDC系统中，DC800V或者±DC400V的整流技术正在被业界关注，这是使用传统变压器的分散式HVDC系统的核心技术 SST系统可视为10kV交流输入的直流不间断电源系统的进阶版，它的主要特征是硅进退，采用高效率的第三代功率半导体器件取代传统的变压器设备进行调压和整流，并具有高功率因数、低电流谐波的输入特性。其系统链路更短，效率更高，体积更小，重量更轻，控制更方便，并具有很大的成本下降潜力，在保留巴拿马电源优势的首提下，弥补了它的不足。SST系统1水V交流输入，辑出电压DC600900V可调，满足DC800V或±DC400V的传输电压需求，末端经过DC/DC转换供给IT负载。SST的特点决定了它将成为数据中心直流供电系统的发展趋势。 3.