全球数字化转型推动了服务器、存储、网络等IT设备的大发展。随着数据中心规模不断扩大、能耗需求激增，传统低压UPS系统在效率和扩展性上的局限性逐渐显现。中压UPS（Medium Voltage UPS，电压范围通常为10kV-35kV）因其独特的技术优势，正成为大型数据中心电力保障的新选择。本文将从技术特点、应用场景及挑战等方面探讨中压UPS在数据中心中的作用。
　　
　　一、数据中心供电主流架构
　　
　　数据中心供电架构是确保数据中心持续、稳定运行的核心系统，涉及电力输入、分配、备份及管理等多个环节。在供配电系统（见图1所示），主要包括以下部分：
　　
　　1）市电引入：通常采用双路或多路市电输入（来自不同变电站），通过自动切换开关（ATS）确保主备切换，降低断电风险。
　　
　　2）变压器与配电：高压市电经变压器降压后，分配至低压配电柜（如400V），供给IT设备及制冷系统。
　　
　　3）不间断电源（UPS）：市电中断时，UPS通过蓄电池（铅酸/锂电池）提供短期电力（数分钟至数十分钟），直至发电机启动。
　　
　　4）末端配电（PDU）：机柜级配电单元，将电力精准分配至服务器、网络设备等负载。
　　
　　5）备用电源：备用电源主要采用柴油发电机的主流方案，可在市电故障时自动启动，提供长期供电（通常储备数小时至数天的燃料）。
　　
　　二、数据中心高能耗面临双碳目标的挑战
　　
　　数据中心作为数字经济的核心基础设施，其能源消耗和碳排放问题在“双碳”目标下面临严峻挑战。电源系统作为数据中心的“心脏”，在保障可靠性的同时实现节能降碳。目前供电系统采取的节能技术有：
　　
　　1）高效的变压器
　　
　　非晶合金与立体卷铁芯变压器：非晶合金变压器空载损耗比传统硅钢低60～70%，适用于低负载率场景。立体卷铁芯变压器空载损耗降低10～20%，抗短路能力强，符合GB20052-2020一级能效标准。
　　
　　2）高效的UPS
　　
　　高效的UPS包括三电平的技术，其能效最高可以达到97.5%。根据负载的情况，UPS具备模块或整机休眠的技术，进一步提升UPS的能效；采用ECO模式（交流直供），能效可以达到99%。
　　
　　3）高压直流(HVDC)
　　
　　HVDC采用直流直供方式,其变换原理为AC-DC-高频AC-DC,典型的转换效率可达96.5%。随着第三代半导体器件(SiC/GaN)器件普及会进一步提升HVDC效率和降低损耗。
　　
　　4）电力模块一体化技术
　　
　　近几年电力的一体化电源系统逐渐进入数据中心,将变压器、UPS、低压柜等设备集成在一起,缩短供配电链路,提升全链路效率至97.8%(智能在线模式)。预制化的集成减少了占地面积30%以上。同时工厂的预制化生产,减少了现场的装配时间和人工的费用。因此电力模块一体化的技术将在数据中心普及。
　　
　　尽管这些年电力设备的生产厂商在供配电的系统中采用的不少的节能技术,但应该看到供电系统的损耗仍然影响到数据中心的PUE和双碳的进程,其数据中心供电系统的损耗占比见表1。
　　
　　三、中压UPS技术原理和运行模式
　　
　　智算中心与超算中心作为支撑人工智能和高性能计算的核心基础设施,其电力需求呈现出高容量的增长。应该看到目前数据中心的UPS还是采用低压的UPS,低压侧的大功率UPS单机的功率在500kVA左右，即使采用并联技术，多台UPS的组合，不仅投资高，而且增加了数据中心场地，同时也面临扩容和改造的困难和风险。近几年国内外的电力制造商开始致力于中高压侧的能效和节能，将电力系统的架构和节能从低压侧向中压侧迁移，将原用于芯片和精密制造的中压UPS（或中压多功能电压瞬时补偿装置）按照数据中心的供电要求进行设计，提高可靠和可扩展的性能，为数据中心的电力系统带来新的架构、组合和节能。
　　
　　1.中压UPS的技术特点
　　
　　中压UPS（Uninterruptible Power Supply）通常指输入/输出电压等级在1kV至35kV之间的不间断电源系统。与传统低压UPS（如400V）相比，其技术核心围绕高压电力电子转换和高效能源管理展开，有些厂商中压UPS称之为中压多功能电压瞬时补偿装置-MPC，主要技术特点如下：
　　
　　1）核心拓扑结构
　　
　　（1）工频变压器：当中压电网正常稳定时，交流中压经工频变压器降压后向双向变换器供电；在电网电压波动跌出设定的范围时，将来自双向变换器的备用电能经变压器升压向中压电网供电。
　　
　　（2）双向变换器：采用低压双向AC-DC变换器结构，与低压UPS串接在电网中不同，该变换器通过升压变压器并接在电网中。当市电正常稳定时，该变换器对电网的谐波与功率因数进行实时动态补偿（PFC功能），电能质量可达THD<3%，并对电池进行充电；当市电过压或低压时，用电子开关或机械开关切断市电通路，在小于5ms内实现电池的逆变放电，通过变压器升压后并联接入中压电网，为负载提供不间断的供电。
　　
　　（3）储能部分：中压UPS的储能介质可以是锂电池、超级电容或飞轮储能，也可以通过混合储能架构来缩短切换时间（可低至2ms），满足数据中心对“零中断”的要求。
　　
　　2）关键器件技术
　　
　　（1）高压IGBT与碳化硅（SiC）器件：SiCMOSFET因其耐高压、低损耗、高频开关特性，成为中压UPS的核心器件，可将系统效率提升至97%以上，同时缩小设备体积。
　　
　　（2）智能并联控制技术：支持多台中压UPS并联运行，通过均流算法实现负载均衡，避免单点故障。
　　
　　3）电压等级选择
　　
　　（1）20kV/10kV：数据中心主流电压等级，平衡效率与经济性。
　　
　　（2）35kV：适用于超大规模数据中心园区（如100MW级），减少长距离输电损耗。
　　
　　2.中压UPS技术的工作原理
　　
　　本文以ABB公司的中压UPS和日本东芝公司的多功能电压瞬时补偿装置—MPC为例，说明中压UPS的工作原理：
　　
　　1）ABB公司的HiPerGuard中压UPS
　　
　　HiPerGuard MV UPS基于阻抗隔离静态转换架构（ZISC），结合现代储能（支持锂电池），提供高性能、高效率的功率调节器和不间断电源供电。当电网出现电压事件（波动或中断）时，可以提供数秒~数十分钟的后备电源的保护，为后端的负载提供连续稳定的清洁电源，其架构见图2所示。
　　
　　（1）效率：HiPerGuard MV UPS在50%～100%负载的情况下，效率达到98%，见图3所示。
　　
　　（2）系统并机：HiPerGuard MV UPS支持多机的并联（最大10台），最大的容量达到20MW。并具备N+1的冗余，每台UPS之间相互通讯，不需要增加独立的控制器。极大的提高了全系统的防御能力，简化了配电系统的分布式设计。见图4所示。
　　
　　（3）运行：HiPerGuard MV UPS提供连续调节电压来保护负载，无论电网如何，高性能的电力电子逆变器都能确保输出电压对输入电压扰动组合进行调节，无论负载因素如何，HiPerGuard MV UPS均能保护输入功率因数接近1。当市电出现波动时，HiPerGuard MV UPS不断调节负载电压，在功率调节模式下，功率转换模块可以控制公共电网与负载间的无功和有功功率，而无需启动储能（电池放电），见图5所示。
　　
　　当遇到电网中断时，HiPerGuard MV UPS将打开输入断路器，将负载无缝切换到储能系统，储能系统为等待公共电网或后备柴发供电前为负载提供高可靠性的电力保障。见图6所示。
　　
　　HiPerGuard MV UPS技术参数详见表2所示。
　　
　　2）日本东芝公司的多功能电压瞬时补偿装置—MPC
　　
　　日本东芝公司的中压UPS，又称为多功能电压瞬时补偿装置—MPC（Multiple Power Compensator），是东芝三菱电机工业系统（TMEIC）司的产品。其MPC装置是一种基于电力电子技术的动态电能质量治理设备，主要用于解决电压暂降、暂升、短时中断等电能质量问题，广泛应用于半导体、液晶面板、汽车制造等高精度制造行业，近几年也在数据中心应用，为数据中心提供电力的保护。其架构见图7所示。
　　
　　MPC核心控制原理通常采用模型预测控制，结合快速响应的功率变换器（如三相四桥臂逆变器），实现实时电压补偿。在高速控制系统协调下，MPC在<1ms内完成侦测+切换+补偿，输出高可靠性的电力。以下是其工作原理的详细解析：
　　
　　（1）模型预测控制的基本原理
　　
　　这是一种基于系统动态模型的最优控制策略，通过滚动优化和反馈校正实现快速响应，特别适合电力电子变换器的实时控制。其核心步骤包括：
　　
　　系统建模：建立逆变器、滤波器和负载的数学模型（如状态空间方程或离散差分方程）。
　　
　　预测未来状态：根据当前状态和可能的控制输入，预测未来若干步（预测时域）的系统行为（如输出电压波形）。
　　
　　滚动优化：通过目标函数（如电压跟踪误差最小、开关损耗最低）求解最优控制序列，通常采用二次规划（QP）或枚举法。
　　
　　反馈校正：仅执行当前时刻的最优控制量，下一周期重新采样并优化，形成闭环控制。
　　
　　（2）模型预测控制在电压瞬时补偿中的应用
　　
　　模型预测控制的多功能补偿装置通常由以下部分组成：
　　
　　主电路：三相电压源型逆变器（VSI）、直流储能电容、输出滤波器（LCL或LC）。
　　
　　控制架构：电压外环：模型预测控制生成参考电压指令，跟踪理想电网电压。电流内环：模型预测控制直接控制逆变器输出电流，快速补偿负载扰动。
　　
　　（3）工作流程
　　
　　电压检测：实时监测电网电压Vsvs和负载电压VLvL，识别暂降、谐波等异常（检测时间<1ms）。
　　
　　参考生成：根据电能质量标准（IEEE519），生成纯净正弦参考电压Vrefvref。
　　
　　模型预测控制计算：预测逆变器输出VinvVinv在多个开关状态下的响应，选择使VLvL最接近Vrefvref且开关损耗最小的控制量。
　　
　　PWM调制：输出最优开关信号（如空间矢量PWM），驱动逆变器补偿差额电压。
　　
　　电压暂降/暂升：逆变器注入差额电压，维持负载电压稳定。
　　
　　谐波抑制：MPC通过多目标优化，抵消负载或电网谐波。
　　
　　不平衡校正：独立控制三相输出电压，消除负序分量。
　　
　　（4）多功能电压瞬时补偿装置效率
　　
　　中压MPC能够达到99%效率，低负载率下，维持高效率MPC通常时HSS仅做导通，逆变器仅为热备。这种设计使得效率值影响仅为HSS的通电发热和逆变器的热备电流，运行效率值几乎不受负载率影响。而低压UPS或动态UPS（D-UPS）效率因负载率影响较为明显，见图8所示。
　　
　　（5）多功能电压瞬时补偿装置运行
　　
　　市电直供模式：正常情况下多功能电压瞬时补偿装置运行在市电直供的模式，见图9所示。
　　
　　多功能电压瞬时补偿模式：当市电质量波动或市电中断时，MPC在1ms内完成侦测+切换+补偿，输出稳定的中压，见图10所示。
　　
　　在市电恢复供电或电能质量恢复正常，电源通过MPC电压暂降装置HSS进行核检、扭序，此时储能柜和主供电同时供电。MPC对电能质量核检完成，确保电能质量达标后退出。
　　
　　四、中压UPS与低压UPS的比较
　　
　　数据中心从低压（LV）到中压（MV）级别的保护的演变是关键电源电力保护装置的演进，其带来的二个方面的益处：首先是提高可靠性，其次是降低关键设施的建设和运维成本。中压UPS与低压UPS的比较见表3所示。
　　
　　五、中压UPS在数据中心的应用及优势
　　
　　1.中压UPS在数据中心应用的场景
　　
　　1）超大规模数据中心：Google、AWS的园区级对于功率需求超过10MW的超大规模数据中心（如云计算中心），中压UPS可减少配电层级，简化架构。微软的某数据中心采用中压UPS后，配电系统成本降低20%，占地面积节省30%。有数据中心采用35kV中压UPS直接接入电网，结合分布式储能系统（BESS）实现“光储直柔”供电。
　　
　　2）液冷服务器集群：中压UPS可为液冷系统的高压泵组直接供电，减少能源转换层级。
　　
　　老旧数据中心改造：对于电力容量接近饱和的传统数据中心，中压UPS无需新增低压配电柜即可实现扩容，避免大规模基建改造。国内某数据中心通过升级中压UPS，将供电容量从5MW提升至15MW。
　　
　　3）高可靠性要求场景：中压UPS的快速切换能力（毫秒级）和多重冗余设计，可满足数据中心、金融、医疗、芯片制造等领域对“零中断”供电的严苛要求。
　　
　　2.中压UPS的优势
　　
　　数据中心对供电系统的要求极高，需满足高可靠性、高密度、节能化需求，中压UPS的优势显著：
　　
　　1）降低能耗与线损：传统低压UPS在兆瓦级功率下需大电流传输（如1MW@400V需1445A），导致线损严重（P=I²R）。中压UPS通过提升电压等级（如10kV），电流降至传统方案的1/25，线损降低90%以上，显著节省运营成本。
　　
　　2）支持高密度供电：数据中心单机柜功率密度从5kW向20kW+演进，使用中压UPS供电可降低数据中心基础设施与IT机柜的容积比。
　　
　　3）增强系统可靠性：
　　
　　冗余架构：中压UPS采用N+X模块化冗余，单个模块故障不影响系统运行，MTBF（平均无故障时间）可达50万小时。
　　
　　4）无缝切换：通过静态开关（STS）与柴油发电机、储能系统联动，切换时间≤5ms，保障关键负载持续运行。
　　
　　节省空间与运维成本：中压UPS直接接入中压配电网络，设备占地减少30%～40%。智能监控系统支持远程运维和预测性维护，降低人工巡检频率。
　　
　　六、中压UPS的挑战与趋势
　　
　　1.挑战
　　
　　1）初期投资成本较高：中压UPS的电力电子器件（如IGBT、SiC模块）和高压开关设备成本较高，但其全生命周期成本（TCO）可能更低。需结合10年运营周期的电费节省、维护成本进行综合评估。
　　
　　2）技术复杂性与运维门槛：中压系统的设计、安装需符合高压电力规范，运维人员需具备高压操作资质。解决方案包括与设备厂商合作开发智能化监控系统，实现故障预测与远程运维。
　　
　　标准与生态待完善：当前中压UPS缺乏统一的行业标准，不同厂商的接口协议、拓扑设计差异较大。未来需推动标准化进程（如IEEE或国内相关标准），促进产业链协同。
　　
　　2.趋势
　　
　　1）模块化与智能化深度结合：全SiC功率器件普及，推动中压UPS效率突破98%。下一代中压UPS将融合AI算法，实现负载预测、动态调整冗余策略，并支持数字孪生技术模拟运行状态。
　　
　　2）微电网：与中压UPS深度整合，构建零碳数据中心。
　　
　　3）政策与市场驱动：随着“东数西算”工程推进及“双碳”目标要求，中压UPS在西部大型数据中心集群的应用将加速，相关政策补贴或税收优惠可能出台。
　　
　　七、总结
　　
　　中压UPS凭借高效、可靠、可扩展的技术特性，正在成为大型数据中心供电系统构建新的方案和架构。随着数据中心向高密度、绿色化方向发展，中压UPS与储能、可再生能源的协同创新将进一步推动行业变革。
　　
　　作者简介
　　
　　杨晓平，毕业于中国人民解放军国防科技大学计算机专业，高级工程师，在科研、石油、金融、互联网等行业50多年工作经历，参加了我国银河巨型机的研发，石油和金融数据中心系统集成、运维、信息安全，数据中心大集中、数据中心信息系统的灾难备份与恢复、数据中心基础建设。引进和维护IBM、CDC、DEC等十多种大中型计算机，熟悉数据中心的建设、两地三中心灾备的规划与建设，熟悉数据中心的基础设施以及网络系统的集成，熟悉数据中心的运维和安全管理，跟进智算和超算的发展。同时参与GB50174、GB40879、GB/T51314等十多个国家和团体数据中心建设规范和标准的编审工作。
　　
　　编辑：Harris