一、引言
　　
　　随着人工智能技术日新月异，AI服务器的应用正以前所未有的速度普及开来。尤其是DeepSeek横空出世，宛如为人工智能的发展按下了加速键，极大地推动了人工智能在各行业的广泛应用。越来越多的智算中心拔地而起，为人工智能的持续创新与拓展提供坚实的算力支撑。
　　
　　相比于单台功率一般几百瓦到一千瓦的通用服务器，以英伟达GPU显卡为代表的智算服务器，单台8GPU（H100）卡的AI服务器动辄功率达到7kW甚至更高，提升了10倍还不止。图1列出了采用英伟达GPU的的功耗（8×GPU），若采用英伟达整柜型服务器，配置36张GPU的NVL36，单机柜的功率达到了67kW，而72张GPU的NVL72，单柜功率甚至达到了120kW。服务器功率的提升，对数据中心的传统电源系统不可避免地带来挑战。
　　
　　二、高密高功率AI算力服务器带来的智算中心电源系统挑战
　　
　　1.挑战一：高功率IT机柜带来UPS与IT机柜占地空间比的急剧增加
　　
　　我们知道，当前采用通算服务器的标准IT机柜，单机柜的功率密度一般为8kW，通过图1，我们看到采用AI服务器的标准IT机柜，单机柜的功率密度高达120kW，单柜的功率密度是前者的15倍。以2000个机柜规模的数据中心来看，单柜功率为8kW时，需要的功率是16MW，单路需求的UPS容量为19.2MW（按GB50174标准，UPS容量为IT负载容量的1.2），以2N架构来配置UPS，则需要38.4MW的UPS容量。而单柜功率提升至120kW时，建设2000个机柜，IT负载需要的功率则是240MW，同理，需要的UPS容量是576MW。
　　
　　回到UPS配置上来，当前国内数据中心普遍使用的UPS容量为600kW，那么前者需要UPS数量为64台，后者需要的数量则变为960台。详见表1。
　　
　　IT机柜的占地空间不变，而UPS需要的数量从64台急增到400台，再到960台UPS，再加上UPS配套配电设施等，以UPS为代表的基础设施占地面积将急剧膨胀。如果基础设施不加改变，那就只能压缩IT机柜的数量，将数据中心的大部分面积拿出来，用来放置UPS等关键基础设施，这样我们就没有所谓的得柜率可言，图2很形象地说明了这一点。
　　
　　再来看一个数据，大约从2014年开始，单台500/600kW容量的UPS开始规模投入使用，到目前（2025年）为止，数据中心普遍使用的UPS容量还是600kW，基本没有变化，而此时服务器机柜的单柜功率密度，已经从最初的8kW/柜提升到120kW/柜（Al服务器），提升15倍，而UPS等基础设施的单机容量却没有相应的变化，这显然是与AI算力中心急剧提升的功率密度变化不相适应。
　　
　　2.挑战二：当前数据中心普遍采用的多台UPS并联系统带来的诸多问题
　　
　　（1）超过4台并联带来的母线分段问题
　　
　　当前绝大多数IDC的UPS供电方案，普遍采用2500kVA的变压器，对应一般采用4台600k并联供电方案来增大UPS系统容量。但有些用户为提高变压器的利用率，UPS的容量一般会适当加大，会配置2700kVA至3000kVA的UPS。还有一种情况是随着智算中心的发展，肯定要突破2500kVA的变压器容量，采用更大容量的如3150KVA变压器，这些都会出现超过4台并联的问题。我们按配置3000kVA UPS来举例，需配置5台600kVA的UPS，而根据GB50174的规定，UPS并联的数量不应超过4台，如果继续采用600KVA UPS，就需要用3+2的方案，即3台600k并联+2台600k并联。就需要将母线分成2段，一段母线1800kVA，一段母线1200kVA，但这样面临负载分配的问题，需平衡哪些负载分配在母线1，哪些负载分配在母线2，分配不好的话，会出现母线1利用率不足，而母线2容量又不够的问题。图3给出了采用分段母线与采用2台1500KVA UPS并联组成的单一母线两种情况。
　　
　　（2）多台UPS并联带来的配电系统复杂和成本高的问题
　　
　　4台UPS并联，或5/6台分成2段母线来并联时，整个供电系统的配电柜数量非常多，配电系统的投入增大，配电系统也越来越复杂，故障点也增多，给运维人员带来很大的挑战。图4是UPS并联系统的整体布置图，可以看到，4台UPS需要外配7台配电柜，配电成本不但高，而且占地面积也很大，系统长度超过了15米（以伊顿9395型号UPS为例）。
　　
　　再来看图5中多台UPS并联的配电系统图，可以看到，节点多，系统复杂，还需考虑多个节点之间的协调保护和操作逻辑，会给运维人员带来更大的难度。
　　
　　（3）多台UPS并联时，绕不开的旁路均流问题
　　
　　我们知道，当多台UPS并联供电时，在旁路状态下，UPS是无法均流的，只能靠线缆的阻抗来被动均流，而线缆的阻抗，在实际施工中，是很难去控制的。就像接在同一管路中的同样的水龙头，有的水流很大，有的水流却不足。因此会出现并联系统中的多台UPS，在旁路状态下，有的却输出电流小，有的输出电流大，甚至出现过载的情况，这就会导致很严重的后果，甚至会出现断路器跳闸或负载宕机的情况。图6很详细的说明了此问题。
　　
　　（4）多台UPS并联，带来系统效率降低的问题
　　
　　在某互联网头部企业做的测试当中，4台UPS并联之后的系统效率，比单台UPS的效率要低。当系统的并联数量增多，线缆、铜排、环流等，都造成系统效率的降低。以1500kVA举例，单台1500k的UPS，比三台500kVA并联的UPS，能耗节省约29%，一年可节省16.7万kWh电费。如图7所示。
　　
　　（5）多台UPS并联扩容使用时，带来的系统可靠降低的问题
　　
　　在实际运行中，多台并联扩容使用时，并联系统的可靠度是低于单台UPS。当然，这种情况在2N供电的系统中，多数情况下是可以避免的，因为单路UPS系统带载是不超过50%的，但是，当A路母线出现故障，所有的负载都由B路负载承担时，此时就会出现上述的并联扩容使用的情况。如图8所示，UPS单机的失效率低于多台扩容并联系统。所以，我们可以得到第二个结论就是：当前数据中心的UPS供电方案并不完美，存在着诸多问题。
　　
　　三、高密高功率UPS是智算中心UPS电源应用的大势所趋
　　
　　1.高密高功率UPS解决占地问题
　　
　　随着AI服务器的功率越来越大，单机柜的功率密度急剧提升，UPS等关键基础设施的容量和功率密度也应该随之增大，才能适应AI算力中心的建设需求。要强调的是，这里说的是2个方面，一个是UPS单机容量，也就是UPS容量颗粒度的增大，才能减少UPS数量，减少相关的配电等设施的复杂度和投入；一个是UPS功率密度的提升，这样才能大大减少占地面积，解决空间不足的问题。
　　
　　再来看，当前头部厂商的UPS解决方案已经在往这个趋势发展，伊顿于2024年推出的9395XR UPS方案，是其经典机型9395的升级机型，单机容量为1500-2500kW，以9395XR 1500kW为例，宽度仅1.6米，UPS的功率密度高达1042kW/m²，提升到了一个新高度。相比上一代的9395系列，占地面积减少70%，功率密度提升300%，如图9所示。其他厂商，如施耐德也推出了VXL机型，系统容量达到了1250kW，宽度尺寸仅为1.2米。维谛推出的Power9000系列，系统容量也达到了1250kW，宽度尺寸也做到了1.2米，容量和功率密度都很高。
　　
　　2.高密高功率UPS，解决传统多台UPS并机的诸多痛点
　　
　　当前的数据中心小容量多台UPS并联方案存在诸多问题，需要提出新的解决方案，以提升可靠度、降低投资、简化运维。如图10所示，以1500kUPS系统为例，列出采用大容量UPS代替多台UPS并联的新方案与传统方案的对比，初步结论是占地面积减少，配电柜减少，系统复杂度降低。
　　
　　经过细化分析，如表2所示，采用方案二解决了传统多台UPS并联的诸多问题，减少占地面积30%，减少配电投资54%，可靠度提升，系统耗电降低29%等，并且还具有无均流、系统简单易维护等特点，同时，部署难度和工程量也大大降低，优势明显。
　　
　　3.大容量UPS的应用情况
　　
　　采用大容量UPS，我们常常会担心是否技术成熟，是否有应用案例，可靠性如何？下面我们来了解一下大容量UPS的国内外的应用情况。
　　
　　国内来看，某云计算公司在宁夏中卫的数据中心，从2019年开始，已经陆续使用了数十台1000kVA的UPS，为其数据中心提供不间断供电。2022年，某大湾区城际轨交指挥中心，也采用了多台1200kVA的UPS，为大湾区的轨道交通指挥中心提供持续的供电保障。
　　
　　海外来看，2023年，某国际互联网巨头在东南亚的数据中心，采用了数十套1263kW的UPS，为其在亚洲的数据中心提供云服务。某东南亚的云服务公司，于2024年，在马来西亚的数据中心，采用数十套1500-1800kVA的UPS，为其数据中心供电。
　　
　　以上案例，未能尽数，但是可以看到，大容量UPS已经在国内外已经有了多年的应用案例，特别是一些海外的数据中心客户，已经在领先应用，相信大容量、高密度UPS的应用会越来越广泛。
　　
　　四、总结
　　
　　综上所述，高密、高容量UPS方案的应用展现出一系列无可比拟的显著优势。在空间资源利用维度，该方案凭借其高集成度特性，能够显著缩减占地面积，有效提升机房空间的容积率。从TCO控制视角出发，通过减少设备数量、降低运维复杂度等方式，可大幅降低投资成本，实现CapEx与OpEx的双重优化。在运行效能层面，高密、高容量UPS方案依托先进的功率转换技术，能够极大地提升电能转换效率，降低PUE值，增强数据中心整体能源利用效率。此外，该方案还能切实化解传统数据中心UPS多机并联架构下的诸多棘手难题。例如，有效规避因系统拓扑复杂导致的故障点增多、可靠性降低问题，解决多机并联时的旁路不均衡、环流损耗大等痛点，大幅提升系统的可用性与稳定性。
　　
　　随着智算中心IT机柜容量因AI算力需求激增而快速攀升，单机UPS容量必须与之协同扩容，遵循等比例增长或基于特定功率密度模型的适配原则，推动智算中心供电系统与IT系统实现精准同步发展，充分满足不断增长的严苛算力需求。
　　
　　作者简介
　　
　　刘志华，伊顿关键电源事业部南区技术经理，宁夏大学物理与电气工程系毕业，具有多年行业头部企业工作经历和丰富的相关行业工作经验，擅长数据中心供配电及UPS系统的解决方案设计。
　　
　　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。
　　
　　编辑：Harris