一、大数据时代供电系统的需求与解决方案

（一）更大容量、更长寿命、更高可靠性

如今已步入信息高度发达的时代，信息中心成为人们日常生活的重要组成部分。数据中心的规模不断扩大，对设备可靠性与使用寿命的要求也日益严苛，唯有如此，才能持续为网络运行提供有力支撑。供电系统作为数据中心的核心，是保障数据中心及网络运转的首要环节，其运行状态直接决定整体系统的可靠性。

节能是数据中心的核心指标，节能的本质就是降低功耗。功耗降低可使设备维持低温运行状态，进而提升可靠性、延长使用寿命，这也是降低能源使用效率（PUE）的最终目的。根据阿伦尼乌斯定律，电子设备（含蓄电池）温度每升高10℃，设备寿命便会缩短一半。也就是说，温度每上升一个10℃梯度，设备寿命就会折损二分之一。目前，UPS系统大量采用电解电容与阀控式铅酸蓄电池，这两类器件是制约设备及系统使用寿命的主要因素，行业亟需改变这一现状。燃料电池曾带来新的思路，但受各类客观条件限制，暂未应用于UPS设备领域。

锂离子电池的出现，也为提升UPS供电系统可靠性开辟了新方向，该类电池现已成功应用于电动汽车领域。其供电电压范围为48V至500V，完全覆盖UPS全电压应用区间。车用电池的放电电流更大，且使用环境比UPS更为恶劣——车辆无法像UPS设备一样始终处于恒温、无震动环境。从原理上来讲，锂电池完全可以替代传统铅酸蓄电池，但受成本等因素影响，目前普及难度较大，仅在少数场景开展试点应用。

① 卷绕式铅酸电池让铅酸电池焕发新活力

以往业内普遍认为铅酸电池只能采用液流结构，加之生产和使用过程存在环保污染问题，这类设备的生产与应用受到诸多限制。卷绕式铅酸电池的问世，打破了固有认知，也为提升UPS供电系统可靠性带来新希望。相关数据显示，UPS供电系统70%以上的故障都源自蓄电池。设计寿命为五年的传统铅酸电池，实际平均使用寿命仅两至两年半。卷绕式电池为全固态结构，其100%深度充放电循环可达350次，是传统液流电池（150次）的两倍以上；30%深度充放电循环可达4000次，是传统液流电池（1200次）的三倍以上。该电池工作温度范围极宽，可达-55℃~+70℃；同时支持任意角度安装，在军用设备、野外无人值守场景中实用性极强。它的漏电流极小，放电电流最高可达3~5倍倍率，充电40分钟即可恢复95%的容量。

目前该款电池单体容量为75安时，且组装便捷。

② 薄膜电容替代电解电容

随着薄膜电容技术发展，其容量已可媲美电解电容。由于采用干式结构，它具备电解电容所没有的优势：耐压范围远大于电解电容，内阻更小，杂散电感比电解电容低一个数量级。在同等成本下，使用寿命也大幅延长，应用场景得到极大拓展。卷绕式铅酸电池与薄膜电容，为提升UPS供电系统可靠性、延长设备寿命提供了有效解决方案。

（二）供配电模式：高度集中与多点分散并存

UPS系统的供电模式由数据中心的规模与架构决定。大型数据中心数据高度集中、设备数量庞大，单座机房内运行的服务器数量至少可达20万台，这类场景必须采用集中式供电。而微型模块化数据中心、集装箱式数据中心的出现，让传统集中供电模式逐步转向分布式配置。

（三）以分布式架构实现整体集中管控

现代数据中心的规模持续扩张，占地面积从几百平方米发展到上万平方米。即便规模再大，建筑面积200平方米以上的数据中心也很难一次性完成整体部署。行业通常将包含约150个机柜、容量400~500千伏安的单元作为一个标准模块，先完成该模块的安装与调试。模块运行稳定后，其余机房便可按照该标准批量复制搭建，微型模块化理念由此应运而生。除此之外，数据中心基础设施与配套设施的集成化，也是模块化架构普及的另一大原因。微型模块与集装箱式数据中心大幅提升了机房建设效率：前者可边建设、边投入使用，后者无需单独修建建筑和进行机房装修。模块化数据中心与集装箱数据中心的发展，也推动了模块化供电系统的升级。由微型模块、集装箱组搭建而成的数据中心，正是“分散布局、集中管理”模式的典型应用。

二、当前UPS供电系统类型及供配电系统发展趋势

（一）两大类UPS供电系统

交流输出型UPS的主流发展方向为高频化，目前行业正处于高频UPS逐步取代工频UPS的阶段。现阶段UPS主要分为两类：旋转发电机飞轮储能式与静态变换式。飞轮储能UPS通过提升飞轮转速、延长后备供电时间，已在部分数据中心开展试用。但该类设备单机容量普遍在150千伏安以上，体积庞大；而当下国内超50万个数据中心机房中，七成以上面积不足200平方米，这一现状限制了飞轮储能UPS的大范围推广。静态变换式UPS已在数据中心领域广泛应用，该产品从上世纪60年代的全晶闸管架构，发展至如今的全IGBT架构，满载效率从原先的不足90%提升至半载工况下95%以上。以100千伏安机型为例，高频UPS相比工频UPS每年可节电5万度以上，经济与社会效益十分显著，也为数据中心降低PUE创造了有利条件。静态变换式UPS容量覆盖范围广，小功率机型可低至数十瓦，单机最大容量目前可达1600千伏安。相较于工频UPS，它更加节能省材：一台进口300千伏安工频UPS整机重量达2200千克，而同规格国产高频塔式UPS重量仅约360千克，减重多达1.8吨。N+X模块化架构，也为数据中心的建设与运维提供了极大便利。

（二）取消变压器与列头柜

在传统供配电系统中，部分机柜内会加装变压器，初衷是为了“隔离干扰”。但实际上，这类变压器无法实现干扰隔离，反而会引发诸多问题：

① 串联增加两处故障点，变压器输入开关与变压器本体均存在故障风险。

② 增加设备功耗、降低系统可靠性，推高PUE数值。加装变压器至少会使系统效率下降两个百分点。

③ 设备重量增加、耗材浪费，加大机房楼板承重压力。原本楼板荷载符合使用要求，加装变压器后往往需要额外加固，不仅增加工程量与建设成本，还会延误工期。

④ 抬高项目投入，相当于为故障隐患额外支出成本。

目前行业新技术不仅逐步淘汰变压器，也开始取消列头柜，转而采用母线槽配电方式，该方案在国内外多个项目中已落地应用。列头柜配电与母线槽配电的对比如下图所示。这一变革将为各类数据中心带来显著效益，目前部分楼宇数据中心、集装箱数据中心已采用该方案并收获良好效果，未来将会逐步普及。

三、数据中心供配电系统设计常见误区解析

（一）误认为普通电力变压器具备干扰隔离能力，因此在UPS等设备机柜内加装变压器。变压器正常工作时处于线性状态，该状态下不会造成波形畸变。简单来说，变压器的基本要求就是保证输入、输出波形一致。相关专业文章已有多次论述并列举实例，此处不再赘述。

（二）认为发电机与UPS在任意负载工况下，都能输出功率因数换算后的额定功率

这一误区十分普遍，由此引发多处线路漏电、设备跳闸、器件烧毁等故障。原理其实很简单：当电源输出容量与负载不匹配时，设备必须降额使用，降额幅度取决于二者不匹配的程度。举例而言，一台负载功率因数为0.8的电源，接入输入功率因数为1的负载时，实际有功功率输出仅为额定值的53%，此时供电设备已处于满载状态。某政务单位数据中心采购的负载功率因数0.8的UPS，在负载率70%时频繁烧毁逆变功率管；多地农商银行、工业园区也出现过同类问题，在线性负载测试下，发电机负载率达到70%便出现跳闸、过载告警。因此，备用发电机搭配高频UPS使用时，二者功率配比不能按照1:1设计，标准配比应为2:1；若考虑设备过载能力与电池充电功率，配比至少需达到2.5:1。

（三）由32节12V电池组成电池组，搭配交直流通用断路器

UPS备用电池组必须配置短路保护装置或熔断器，且优先选用直流断路器。直流断路器在材料、机械结构上的要求远高于交流断路器，造价也更高。受成本影响，很多现场会为电池组选用所谓的“交直流两用断路器”。直流低电压（如48V）下灭弧相对容易，但电压升至240V高压时，灭弧难度大幅增加。同规格的直流断路器价格是交流断路器的数倍，因此多数场景会直接混用交流断路器，但二者的使用效果天差地别。

交流断路器能否替代直流断路器，取决于工作电流大小。电流在数安至十几安区间时，临时使用尚可；当电流达到数百安时，电弧仅能在电流过零点时熄灭，而直流电不存在自然过零点，电弧无法自行熄灭，这种工况下必须使用专用直流断路器。若电弧持续时长超过20毫秒，极易引发爆炸事故。

直流断路器具备哪些特性？

交流断路器切断直流短路电流的难度极大。灭弧的核心条件是灭弧电压高于电源电压。交直流电的核心区别在于，直流电压无自然过零点，因此直流灭弧难度更高。直流断路器会配备专用吹弧线圈或永磁吹弧结构，强制将电弧引入灭弧室，对电弧进行切割、拉长，快速提升弧电压并完成降温熄灭，同时使用时还需严格区分直流线路正负极。而交流断路器在设计上并未采用同类技术，将其用于直流回路时，可靠性、耐用性与分断能力都远不及专用直流断路器。

单极交流断路器有明确的直流分断电压限值。额定交流230V的断路器，不可直接用于直流220V回路。根据国标GB10963-2规定，额定电压230V的单极微型交流断路器，用于直流系统时，供电电压一般不得超过220V；出于安全考量，直流场景建议采用两极串联使用，这也是大量工程实践总结出的经验。

相关规范要求，直流电压达到250V时，断路器需四极串联使用。部分场景下，选用交流断路器看似比直流断路器更节约成本，但目前市面上所谓的“交直流两用断路器”，本质仍是普通交流断路器。毕竟纯交流使用场景中，不会额外高价选购交直流两用产品。更为危险的是，大功率UPS普遍采用32节蓄电池串联，额定电压接近400V，若依旧采用两极交流断路器串联，会出现无法分断电路的重大安全隐患。