智算中心750 V柔性直流供电系统的发展和应用

随着以ChatGPT和Sora为代表的AIGC技术的迅速发展，全球各行各业正经历着从传统模式向数字化、智能化的转型，这导致智算中心数据量呈指数级增长，从而对数据处理能力和计算速度提出了更高要求。同时，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130 W提升至500 W，GPU功耗从250 W提升至700 W，从而导致单机柜功率也持续大幅提升。目前常采用的6 kW机柜，在未来3~5年预计会快速提升至50 kW，且功耗快速持续上涨的趋势非常确定。功率需求及功率密度的大幅提升，未来将给智算中心供电系统带来严峻挑战。

目前数据中心和智算中心的通用供配电解决方案是采用UPS供电系统，将中压柜、变压器、低压配电、UPS、馈电柜等模块集成为一体化电源设备（见图1），虽然能够满足客户对不间断电源的使用需求，但受限于传统的供电架构、电压等级、电源种类，单套系统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、新能源消纳等方面仍存在一定的技术局限。

随着电力电子技术的快速发展，直流供电系统以其高度的可控性、灵活性、高效能和环境友好性，成为智算中心供配电系统的发展趋势，其特别适用于高能效要求和新能源接入的场合，可有效支撑智算中心供配电系统向小占地面积、高功率密度和智能化控制过渡。

柔性直流供电系统基于电力电子变压器构建输入串联输出并联（ISOP）型拓扑结构实现高-低压直流变换，即10 kV高压交流输入、DC 750 V低压直流输出（见图2）。

通过比较图1和图2所示的2种供电系统架构不难看出，柔性直流供电系统具有更少的电压变换环节，极大缩短了供电链路长度。通过采用小体积、高效率的第3代功率半导体器件取代传统磁电系机电设备，同时自身具备无功补偿和谐波治理能力，也省去了原有的SVG/APF的无功补偿设备，可使电力室面积进一步减小，且效率更高、容量更大，更方便匹配光伏储能等新能源直接并网，实现真正意义上的光储柔直系统。

因此，应尽快开展柔性直流供电系统的相关研究，通过打造以柔性直流供电系统为基础的光储柔直微型直流配电网，建立直流输配电领域新的用电生态，推动智算中心由交流配电向以新能源为主体的直流配电转型发展。

目前信息通信行业主要使用的直流电压等级有3种：DC 48 V、DC 240 V和DC 336 V。DC 48 V供电系统是通信行业中历史悠久且最为普遍的供电方式，在基站、交换机房、数据中心等通信基础设施中被广泛应用。它的优势在于技术成熟以及与现有设备的广泛兼容性，但由于其供电半径短、供电容量小，无法满足数据中心更高的能效要求和对更高功率密度设备的支持需求。DC 240 V供电是通信行业数据中心HVDC系统的主流电压等级，与DC 48 V相比能够提供更高的功率传输效率和更低的线损，适合高密度服务器的供电需求。DC 336 V直流供电作为一种较高电压等级的供电方式，在国内外的应用相对较少，主要集中在一些特定的大型数据中心和高能效要求的场合，由于成本和兼容性问题，其普及程度不及48 V和240 V系统。

《中低压直流配电电压导则》（GB/T 35727-2017）规定了低压直流配电系统的电压等级主要包括优选值和备选值2类（见表1），DC 750 V（±375）为低压直流配电系统优选值。

表1 低压直流配电系统的标称电压

（单位：V）

 注：未标正负号的电压值对应单极性直流线路，标有正负号的电压值对应双极性直流线路；基于技术和经济原因，某些特定的应用场合可能需要另外的电压等级。

目前DC 750 V电压等级在多个行业中扮演着重要角色，特别是在轨道交通、电动汽车充电设施、数据中心、工业自动化等领域。由于电力系统直流配电网发展主要以DC 750 V系统为主，相关配电设备产业发展已相对成熟。随着技术的不断创新发展和市场需求的日益增长，围绕DC 750 V电压等级的产业链覆盖了从原材料、元器件到终端产品的各个环节。

a）直流断路器。目前行业内直流塑壳断路器壳架电流为63~800 A，短路分断能力为50 kA，额定工作电压为DC 250~DC 1 000 V。直流框架断路器壳架电流为800~4 000 A，额定工作电压为DC 500~DC 1 500 V。在地铁和轻轨系统中，这2款断路器通常用于保护牵引系统，确保列车在运行过程中的电气安全，能完美应用于750 V柔性直流供电系统中。

b）直流熔断器。DC 750 V是轨道交通行业常见的供电电压，直流熔断器在地铁、轻轨车辆的牵引系统保护中发挥着核心作用，历经多年实际运行考验，其成熟性和可靠性得到了充分验证。

c）电力电子器件。电力电子器件在DC 750 V等级应用中已经相当成熟，特别是在中低压变频器、逆变器和可再生能源接入系统中，它们具有快速开关、高效率和良好的温度稳定性等特点，能够处理大电流和高电压，是成熟的技术选择。SiC器件，尤其是SiC MOSFET，由于其高击穿电场、高热导率和高开关频率，特别适合于DC 750 V等级的高电压、大功率应用。

d）电力电缆。0.6/1 kV交流电缆可用于DC 750 V直流系统。

2.3.1 交直流系统电缆配电对比

采用AC 380 V的UPS系统，按照500 kVA容量测算，不考虑充电功率，其电流I=500 000/380/1.732=760A，开关选择800 A。采用单根240 mm²铜芯电缆，单根载流量为480 A，每相采用2根并联，考虑0.8的并联敷设系数，载流量为960×0.8=768 A，3L+N共8根电缆，截面共计240×8=1 920 mm²。电缆损耗W=6×380×380×ρL/240。

采用DC 750 V的直流系统，按照500 kVA容量测算，不考虑充电功率，电流I=500 000/750=667 A，开关选择800 A。采用单根240 mm²铜芯电缆，单根载流量为480 A，每极采用2根并联，考虑0.8的并联敷设系数，载流量为960×0.8=768 A，正负极共4根电缆，截面共计240×4=960 mm²。电缆损耗W=4×334×334×ρL/240。

2种系统相比，采用DC 750 V的直流系统的电缆用量减少50%，电缆线路损耗下降48%。需要指出的是，同一回路并联敷设的电缆数量越多，并联敷设系数取值越小，所需并联的电缆数量越多。所以电缆用量的减小并非线性下降。

2.3.2 交直流系统小母线配电对比

采用AC 380 V的UPS系统，按照500 kVA容量测算，电流I=500 000/380/1.732=760 A，开关选择800 A，采用800 A小母线。

采用DC 750 V的直流系统，按照500 kVA容量测算，电流I=500 000/750=667 A，开关选择800 A，采用800 A小母线。

2种系统相比，母线用量相同。但采用DC 750 V的直流系统的母线线路损耗下降约23%。

2.4.1 IT负荷

从服务器层面来看，随着用电功率的急剧增长，目前市场上主流服务器均支持48 V直流供电输入。在服务器受电侧使用DC/DC直流转换所得到的效率至少高出传统的AC/DC交直流转换单元1~2个百分点。从机房IT用电适配性层面来看，以某万卡智算规模测算，单个服务器8张卡，单个机柜8台服务器，单柜功耗为41.6 kW，单列GPU柜（10面）+网络机柜（2面）功耗约为440 kW。常用小母线最大电流为630 A，选择DC 750 V电压，单条母线供电容量约为470 kW，满足供电需求。

2.4.2 空调负荷

目前DC 750 V直供变频空调已经应用于轨道交通领域，特别是在地铁车辆中，这种空调系统可以直接使用地铁车辆的直流供电系统（通常是DC 750 V或DC 1 500 V），与传统的交流供电空调系统相比，DC 750 V直供变频空调无需额外的AC/DC转换设备，从而提高了效率并减少了能耗。DC 750 V直供变频空调技术因其高能效比，连续多年被纳入国家发改委的《国家重点节能低碳技术推广目录》。

《电化学储能电站设计规范》（GB 51048-2014）中规定，储能单元直流侧电压应根据电池特性、耐压水平和绝缘性能来确定，不宜高于1 kV。条文说明中解释：目前实际工程中，考虑设备的耐压水平，一般锂离子电池系统直流侧电压不高于900 V，全钒液流电池系统直流侧电压不高于600 V。根据储能变流器调研，2 500 kW以下储能变流器直流侧电压一般为580~850 V。目前园区级储能单集装箱容量在2 500 kW以下，选择DC 750 V直流侧电压，可以适配该储能单元电池接入。

未来智算中心使用750 V柔性直流供电系统，其发展优势主要体现在以下几个方面。

a）高效节能。系统可以通过精确控制电力电子器件的开关状态来实现高效率的能量转换，从而减少能量损耗。与传统交流系统相比，它能更高效地调节和控制功率流，减少损耗，适应通信设备对高质量电能的需求，有助于节能减排。

b）灵活接入。由于DC 750 V与光伏、储能直流侧电压等级匹配，系统能更好地集成可再生能源，如太阳能、风能等，这对于通信基站或数据中心等能源消耗大且追求绿色能源使用的场合尤为重要。它能轻松实现不同地点、不同规模的可再生能源接入。

c）增强电网稳定性。系统具备快速响应能力和独立控制有功与无功功率的能力，通过内置的功率因数校正电路，可以减少电网中的无功功率流动，提高整个系统的功率因数，可以有效提高通信电网的稳定性和可靠性，特别是在孤岛供电或紧急情况下提供黑启动功能。同时能够滤除电网中的谐波，减少谐波对电网的影响，降低谐波引起的额外损耗。

d）集成保护功能。内置的控制保护策略可以防止过压、过流、过热等情况发生，保护电力电子变压器本身不受损害，延长其使用寿命，间接达到节能效果。

e）空间节省与简化布线。直流输电能减少电缆尺寸和重量，对于地下或密集城区的通信设施部署尤为有利，能够降低敷设成本和空间占用。

750 V柔性直流供电系统在智算中心属于领先一代的供电系统，采用750 V柔性直流供电系统可以用最少的供电环节满足服务器的直流需求，减少了电力转换过程中的损耗，提高了功率密度和能源利用率，同时与光伏和储能系统的融合，促进了绿色低碳转型，与国家关于碳中和与可持续发展的目标一致，使得通信机房能够在电网不稳定或断电的情况下，依靠自身存储的新能源继续稳定供电，确保了通信服务的不间断。同时随着电力电子技术的不断进步，将进一步提升直流系统性能并降低成本，使之成为数据中心运营商更加理想的选择。

焦中原，毕业于武汉大学电气与自动化系，工程师，学士，主要从事数据中心通信电源设计、电力电子研究等相关工作；

韩振东，毕业于清华大学电子工程系，硕士，主要从事数据中心规划、建设及运营管理等相关工作；

杨瑛洁，教授级高级工程师，注册电气工程师，主要从事通信及数据中心行业的工程咨询和设计、科研工作；

张向龙，工程师，硕士，主要从事信息通信基础设施业务相关咨询设计、网络规划，通信储能研究等工作。