数据中心供配电系统的能量源分为两类，一类是以市电为代表的主用能源，另外一类是以柴油发电机、蓄电池为代表的备用能源。而不间断电源作为这些主备用能源与数据中心用电设备连结的关键纽带，为IT和动力负载提供持续、稳定、可靠、不间断的电力保障，成为影响数据中心供配电系统可靠性的核心要素。
　　
　　近年来，随着电力电子技术的进步和数据中心需求的发展，尤其是双碳目标和智算中心的出现，不间断电源系统的技术、功能与形态正在发生革命性的变革。
　　
　　一、低压不间断电源系统的发展
　　
　　1.从工频UPS到高频UPS
　　
　　从低频技术到高频技术，一直是电力电子学的发展方向。不间断电源在发展过程中同样经历了以晶闸管(SCR)作为整流开关元器件、50Hz开关频率工作的工频UPS，向以IGBT等高频器件作为整流开关元器件、几k到几十kHz开关频率工作的高频UPS的转变过程。
　　
　　工频UPS采用半控型晶闸管(SCR)器件，无法进行升压整流，导致直流母线电压较低，逆变器输出电压需要升压才能达到380V，导致工频UPS必须配置输出变压器。随着电力电子技术的发展，全控型IGBT器件应用到整流器后，可以实现升压整流，提高了母线电压，逆变器不再需要变压器二次升压即可直接输出380V。典型的工频UPS和高频UPS拓扑结构如图1、2所示（不含维修旁路）。
　　

　　工频UPS和高频UPS在整流器使用器件、输出端和电池接入方式存在很大不同，现阶段在大型数据中心工频UPS已逐渐被高频UPS所替代，二者的区别如表1所示。
　　
　　高压直流（HVDC）作为数据中心中另外一种高频不间断电源，又称DCUPS。目前常用的HVDC电源输出DC240V或是336V，通常采用AC-DC、DC-DC的双级变换，效率相比行业内高端UPS基本持平，但蓄电池直挂输出直流母线，负载端的电压、电流波动会直接影响蓄电池，导致蓄电池寿命缩短，目前只有少数企业和用户在使用该方案。
　　
　　2.从备电型到电网交互型储能UPS
　　
　　在哲学中，内因和外因是驱动事物发展变化的关键因素。在数据中心供配电系统中，电力电子技术的发展，新型元器件的推出、创新拓扑架构的出现是推动不间断电源产品发展的内部因素。而外部因素则是随着数据中心在社会用电量占比的不断增大，UPS作为数据中心供电系统中核心的设备，希望其能在绿色电力消纳、削峰填谷、调频稳频等方面发挥一定作用，推动着UPS从单纯的备电向储、备一体方向发展。
　　
　　1）传统备电型UPS实现储能的方式
　　
　　UPS本身具有对配套的后备蓄电池管理能力，高频UPS其充放电过程如下：
　　
　　充电过程：整流器(Rectifier)将输入的交流整流为直流，建立直流母线，为逆变器和蓄电池充电器提供直流电能；蓄电池充电器(Battery Charger)将直流母线的电压变换为适合蓄电池组使用的均充或浮充电压、并完成各种电池管理功能，如图3红色箭头所示。
　　
　　放电过程：放电时蓄电池充电器(Battery Charger)将电池蓄电池组内的电能变换为与UPS直流母线电压一致的电能，而后通过逆变器逆变为符合负载要求的交流电，如图3黄色箭头所示。
　　
　　从图3可以看出UPS对蓄电池的充放电管理功能与储能变流器在原理上基本相似，据此可以通过增大充电器的容量、优化蓄电池充电器的控制逻辑，使其可以接受外部调度，同时增加蓄电池组的容量。此时UPS变成了一台储能变流器，实现了UPS从单一的备电功能向储备兼具功能的转变。
　　
　　2）电网交互型UPS实现储能的方式
　　
　　严格意义的上的储能变换器(PCS)，不仅可以对下游负载进行电量输出，也应可以对上游电网端进行电量输出，但在图3所示的UPS充放电过程中整流器为单向整流器，不具备向电网放电的条件。
　　
　　伊顿93PRUPS将整流器设计为与逆变器相同的结构，即双向变换器，该设计使蓄电池能量反向流入上游市电输入端成为了可能，其充放电过程如图4所示。
　　
　　该设计使能量的控制更加灵活，储能电池不仅可以通过逆变器向下游负载侧供电，也可以通过整流器向上游电网侧或输入母线侧的其它设备供电，实现了从“单向的两象限工作”到“双向的四象限工作”的革命性飞跃。其可参与负载侧的削峰填谷、调峰顶峰、绿电平衡等动作，也可参加电网侧的调频、稳频等应用，将数据中心电池的“容量闲置”与“时间闲置”充分激活，有助于解决蓄电池成为闲置资产的问题。
　　
　　二、中低压融合的一体化不间断电源系统的发展
　　
　　随着数据中心对低碳、低Capex、高可用性等需求的不断增加，以中低压配电、工频或高频变压器和不间断电源融合为特征的一体化电源模块系统正成为行业发展的重要方向。由于篇幅关系，本文就不讨论基于ACUPS集成的“中压直接输入的一体化高频AC不间断电源(电力模块)”，后续将专文介绍。
　　
　　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发布了《巴拿马供电技术白皮书》，巴拿马电源通过整合10kV中压变压器与HVDC技术，将前端的工频变压器改成移相变压器并集成至电源内部，柔性集成了交流10kV配电，工频变压器，模块化整流器和输出配电等设备，并对交流10kV到直流240V整个供电链路做到了优化整合，其原理如图5所示。
　　
　　巴拿马电源由10kV中压开关柜，移相变压器柜，整流输出柜，交流分配柜组成，移相变压器在二次侧通常有多组绕组，通过副边匝数和相位差控制输出电压的幅值和相位，10kV经移相变压器降压和移相后通过各输出绕组进入相互隔离的AC/DC整流单元，整流模块将输入的交流电转换成直流电输出240VDC，蓄电池的接入采用和传统240Vdc系统一致的直挂输出DC母线的方式。
　　
　　巴拿马电源把10kV高压深入到负荷中心，将传统低压配电线路变成了设备内部线路，不用单独设置SVG、APF等环节，缩短了传统供电中从变压器输出到ACUPS或240V/336VHVDC柜间的漫长链路，简化了此链路中的多级配电，节省了占地面积。
　　
　　巴拿马电源由传统变压器改为移相变压器，省掉功率因数调节环节，移相变压器的效率为99%，整流调压部分的峰值效率为98.5%，整体峰值效率可达到97.5%，提高系统效率。
　　
　　2.中压直接输入的一体化高频DC不间断电源-固态变压器
　　
　　巴拿马电源利用工频移相变压器把输入电压从10KV降到380V，这与12脉冲工频UPS在输入端使用的移相变压器类似，工频UPS在体积、效率、成本上存在的问题在巴拿马电源同样难以回避。
　　
　　且随着人工智能技术的发展对算力和电力需求的不断增长，单机柜功耗已从通用算力的数千瓦攀升至超级算力的上百千瓦，单机柜电流变大导致电缆成本、布线难度、系统损耗、配电空间占比、PDU容量增加和系统效率、机房出柜率下降等问题出现。
　　
　　固态变压器(Solid-State Transformer,SST)也称电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)，其以电力电子技术和高频磁性材料为载体，通过半导体开关器件以高频替代的方式舍弃了传统供电中必备的工频变压器(移相)，且可根据需求调高输出电压，固态变压器原理如图6所示（以伊顿固态变压器为例）：
　　
　　固态变压器各相独立设计，高压侧级联低压侧并联，由旁路开关、中压功率单元、高频变压器和低压功率单元组成，各单元的作用如下：
　　
　　1）旁路开关(Bypass)：作为级联模块的备份路径单元，当级联模块发生故障时自动转到旁路以保证系统正常运行。
　　
　　2）中压功率单元：主要由AC-DC和DC-DC两部组成，AC-DC部分由多个功率模块级联而成，含主用模块和冗余模块，是整个系统的核心，完成高压分压和实现工频变压器(移相)的替代。其原理是采用级联分压的方式降低了每个模块的输入电压，模块电压输入降低后即可采用低压功率器件，为低压功率器件应用于高压场景提供了必要条件。
　　
　　3）高频变压器：将高压部分和低压部分进行电气隔离，以满足安规相关要求。
　　
　　4）低压功率单元：由AC-DC变换器组成，主要功能是将高频交流电能转换为适合负载使用直流电能。
　　
　　固态变压器精简了从中压交流输入到低压直流输出全配电及功率转换链路环节，利用宽禁带半导体材料模块化级联拓扑解决了系统耐压的问题、消除了传统配电系统工频变压器单点故障点；通过高频变压器解决了隔离的问题、减小了体积和重量，提升了系统功率密度。
　　
　　采用全SiC半导体器件，提高了开关频率，降低开关损耗和导通损耗，中压功率单元峰值效率为可达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%，考虑到控制及散热损耗，整体峰值效率为98.3%，满载效率可达98%，高于巴拿马电源。
　　
　　针对输入端串联系统可用性问题，采用了模块并联旁路及模块数量N+2冗余设计，当每相某个或某两个功率模块出现故障时，可旁路掉故障功率模块，实现不降额运行。只有在某相三个及以上功率模块出现故障时，才会降额运行。
　　
　　此外，高端控制算法可以主动调整中性点电位，保证出现模块故障时系统可正常运行，使系统可用性大于0.99999。
　　
　　表2对比了巴拿马电源和固态变压器（以伊顿SST为例）的一些区别。
　　
　　三、能源路由器的发展
　　
　　随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，构建以新能源为主体的新型电力系统成为我国构建新发展格局、全面助力能源革命的重中之重。但数据中心现有的不间断电源系统在解决多类型新能源接入、多形式储能单元接入方面存在的问题仍不能得到有效解决。为此，具有多电能路由功能的电能路由器（能源路由器的狭义定义）研究正在成为业界关注的热点。
　　
　　1.低压能源路由器—超级UPS
　　
　　中国电源学会提出了超级UPS概念，并在2019年发布了T/CPSS1007-2019《超级不间断电源》团体标准，对超级不间断电源（超级UPS）（SuperUPS）进行了定义：“输入能源接口能够接入多种类型能源的发电单元，储能单元接口能够接入多种类型储能装置，在输入能源故障时，用以维持负载电力连续性的电源。”该标准的提出使不间断电源完成了从电源设备到电能路由的转变。
　　
　　超级不间断电源的基本结构如图7所示。
　　
　　超级不间断电源具有如下特征：
　　
　　1）输入能够接入多种类型能源的发电单元（包括电网、燃气发电单元、新能源发电单元等）；其中电网和燃气为两种独立的输入能源，电力线路、燃气管道两种基础设施相互独立、互为冗余，提升了装置的可靠性。
　　
　　2）能够接入多种类型储能单元（包括储存电能、氢能或者其他类型能量的装置，能够在输入能源故障情况下，为负载供电。储能单元包括多种类型，如蓄电池、锂电池、超级电容等），各种储能单元相互独立，为新能源的消纳创造了条件。
　　
　　3）具有冗余容错的功率变换单元，输出为三相固定频率的交流电压。
　　
　　超级UPS概念的提出，将不间断电源与新能源消纳、储能结合到一起，建立了柔性的直流母线，融合了各种形式的能源，实现了在不改变UPS输入输出配电架构基础之上的低压能源路由功能。
　　
　　2.中压能源路由器
　　
　　超级UPS通过柔性的直流母线解决了多源融合的问题，但交流仍采用传统数据中心的配电架构，即10kV需经过工频变压器转换成380V才能进入UPS后输出供负载使用，如前所述该架构存在占地面积大、系统效率低等问题。伊顿提出了以固态变压器为核心的中压能源路由器概念，去除了10KV/380V工频变压器，实现了对超级UPS的存在问题的优化，其拓扑结构体如图8所示。
　　
　　中压能源路由器在固态变压器的输出直流母线上集成多种AC-DC、DC-DC转换单元模块，为不同形式、不同输入电压等级的电能提供接口，并可对各种输入、输出能源进行综合管理，具备以下特点：
　　
　　1）全柔性架构的固态电子设备，具有高度集成、高度灵活、高度兼容的特征。
　　
　　2）支持不同电压等级的交直流接口，能够平滑风电、光伏等绿色能源，柔性负荷（分布式储能、电动汽车）能源即插即用。
　　
　　3）在AC10KV级实现与电网的能量双向交互，在DC750V级（推荐）实现多能源潮流的按需路由分配，提高电网的灵活性。
　　
　　4）在DC750V级（推荐）实现对IT负载和动力负载中间直流母线的直接对接，减少负载侧的供电环节，提高效率并简化负载电源结构。
　　
　　5）信息系统与物理系统高度融合，能源流、信息流在任意节点上双向流动，实现自主控制和能量管理。
　　
　　中压能源路由器是对超级UPS的电压等级升级，其基本思想与功能相似。其应用差异如表3所示。
　　
　　四、总结
　　
　　综上所述，内因和外因的双重驱动下，大型数据中心不间断电源经历了从低压到高压、从中低压分离到中低压融合、从低压路由到中压路由的发展过程。能源路由器将数据中心从单一的能源消费单元转变为电力系统中重要柔性资源，为构建以新能源为主体的新型电力系统提供了基础，满足了新型电力系统的基本特征、适应了电力系统电力电子化的趋势，推动了数据中心用电走向绿色柔性直流化的进程。中压能源路由器相对于传统电源系统及超级UPS在占地面积、效率、能源接入、能源综合管理方面具有明显优势，但仍存在产业生态不完善等问题，希望在行业共同努力下构建中压能源路由器的和谐生态。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]《现代UPS技术架构的演变及数据中心供电能效优化》曾显达,王伟;
　　
　　[2]《医疗电气中工频UPS和隔离变压器的关系分析》曾显达,张阳,王军;
　　
　　[3]《能源路由器功能规范和技术要求》GB/T40097-2021国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会
　　
　　[4]《超级不间断电源》T/CPSS1007-2019中国电源学会;
　　
　　[5]《巴拿马供电技术白皮书》开放数据中心标准推进委员会;
　　
　　[6]《数据中心中心中压能源路由器技术白皮书》伊顿电源(上海)有限公司。
　　
　　作者简介
　　
　　曾显达，伊顿电源（上海）有限公司高级应用架构师，从事UPS技术工作和数据中心架构设计多年，对UPS产品及供配电系统有较深入的研究。
　　
　　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。
　　
　　封小云，现任伊顿电气关键电源事业部大中华区应用技术负责人，2006年加入伊顿后，从事过研发，新产品开发项目管理，数据中心项目管理，以及解决方案产品管理等职。
　　
　　编辑：Harris