芯耀
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800V直流供电系统是一个完整的电能转换、传输与分配体系，其正常运行依赖于一系列关键设备和材料的协同工作。除了交流输入和电池组外，一个典型的800V直流供电系统还包括电源设备（如高压直流电源、直流不间断电源、SST电源）、直流配电设备（如直流配电柜）、电力转换或切换设备（如DC/DC变换器、直流静态转换开关），以及直流电缆、直流母线、直流断路器、熔断器等关键材料。
本文主要对高压直流电源、直流不间断电源、SST电源等电源设备、直流静态转换开关设备，以及直流电缆、直流母线等材料进行介绍。
1、电源设备
01 高压直流电源（HVDC）
高压直流电源（HVDC）系统主要由输入配电、整流模块和输出配电组成，一般分为组合式和分立式两种。组合式高压直流电源将输入配电、整流模块和输出配电组合到一个机柜内，容量相对较小。分立式高压直流电源将输入配电、整流模块和输出配电分别布置到不同的机柜，有的一套设备内有不止一个整流柜和输出配电柜，容量相对较大。
高压直流电源设备的技术比较成熟，三相交流电进入整流模块后经过整流和功率因数校正，由DC/DC电路进行隔离和调压，然后送到输出配电柜。传统的高压直流电源输出电压是DC240V或DC336V，改成DC800V或±400V输出后，需要在DC/DC电路中通过高频变压器将输出电压提升，同时电池组接入回路也需要增加DC/DC电路。
图1 高压直流电源（HVDC）系统架构图
图2 整流模块原理架构图
02 直流不间断电源（DC UPS）
1）原理架构
10kV交流输入的直流不间断电源系统是在HVDC基础上进一步集成，将上游的中置柜和变压器也包括其中，实现供电系统的预制化和集成化。其原理架构如图3。
直流不间断电源系统的主要特色就是用移相变压器替代了传统的工频变压器，它同时具有降压、隔离和移相的作用。移相变压器将10kV中压三相交流电移相为多组低压三相交流电，每一组低压三相交流电经开关后送给若干个整流模块进行后续处理。DC400V输出的直流不间断电源系统，其整流模块的输入电压一般是三相AC240V，对于DC800V输出的直流不间断电源系统，其整流模块的输入电压需要调为三相AC480V。
通过36、72甚至96脉冲的移相，每个整流模块产生的谐波可以相互抵消，同时移相变压器已经进行隔离，所以在整流模块内部不需要设计PFC电路，也不需要再次隔离，只是进行简单地整流，经过升压斩波电路（Boost Chopper）和降压斩波电路（Buck Chopper）调压后就可以送至直流配电输出。移相变压器输入端的电流总谐波可以达到小于3%，输入功率因数可以达到大于0.99。移相变压器的工作原理如图4。
图3 直流不间断电源系统原理架构
图4 移相变压器工作原理
2）优劣势分析
与高压直流（HVDC）系统相比， 10kV交流输入的直流不间断电源系统纳入了中压配电和变压器，减少了交流低压配电设备，移相变压器的采用节省掉整流模块的隔离和PFC电路，所以整体供电链路变短，集成度增高，预制化程度增强，带来系统的可靠性提升、效率提升、占地面积变小、工期变短、综合成本降低，这是它的优势。
此外，直流不间断电源系统还可以根据需要提供一定比例的交流输出给后面的用电设备，由移相变压器的次级直接输出即可。
同时，因为移相变压器采用铜线绕制，会比较笨重，价格也会根据铜价变化而波动。AC10kV接入直流不间断电源设备是否需要向供电局申请也是用户需要考虑的。
图5 直流不间断电源系统与高压直流系统比较
03 SST电源
1）基本原理
SST(固态变压器)，是一种通过电力电子技术实现能量传递和电力变换的新型变压器，它结合了电力电子技术与传统变压器技术，用于将中压交流电转换为高/低压直流电，具备电气隔离、电压变换和无功补偿功能，同时相较于传统变压器显著提高了智能化控制水平。SST能够独立调节多个端口的电压和电流，以满足不同电网或负载的需求，输出电压的具体值并不是固定不变的，它依赖于系统的设计要求、控制策略以及实际应用场景。
当前典型的SST设备采用ISOP型系统拓扑，输入整流级采用多H桥模块级联构成，以减小开关管的电压应力；后级是带隔离的DC/DC变换，各模块输出并联，为负载提供直流电力。每一相都由相同数量的功率模块级联来承担输入的相电压，输出并联在一起，形成200-1000V直流母线。在电网和级联H桥中间接入滤波电感，滤波电感的主要作用是存储能量，滤除输入电流高频纹波，实现升压。每一相的前级由N个H桥模块级联构成，多模块之间采用载波移相的调制方式，提高了等效开关频率，使调制产生的输入交流电流具有良好的谐波特性。
AC/DC级采用单相PFC拓扑，功率器件选用大功率Si IGBT或SiC MOSFET，实现整流和功率因数校正作用, 采用SiC器件可以提升AC/DC的开关频率，进一步减少网侧电流谐波含量；DC/DC级采用双有源桥或者谐振拓扑结构，功率器件选用SiC MOSFET，由一个跟输入级连接的逆变器、谐振电容、谐振电感、高频变压器和整流器组成，通过谐振变换实现功率传输，变压器实现隔离作用。这种结构能实现输入侧的功率因数校正，同时抑制负载侧谐波对网侧的影响。系统典型拓扑如图6所示。
图6 典型SST系统拓扑图
2）SST的控制策略
SST采用电压外环+电流内环的双环控制策略，其工作原理是通过电压外环实时监测输出电压，与设定的参考电压进行比较，将偏差信号经过控制器处理后作为电流内环的参考值；电流内环再将实际电流与该参考值对比，根据偏差调节PWM信号，进而控制整流器的开关器件，实现稳定输出电压与电流的目的。同时可实现模块冗余切除、低电压穿越、短路故障、断路故障等故障工况的控制。控制框图如图7所示。
图7 SST总体控制逻辑
3）SST的可靠性分析
SST在通信领域还属于新兴技术，因此其系统可靠性需经过严格论证并符合要求。功率单元及其内部关键元器件是SST可靠性评价的重要基础，通过查询主要元件的故障率λ来计算设备的平均无故障时间MTBF。电子元件的故障率受耐压等级、温度、环境、材料等因素的影响，本白皮书仅讨论采用假设相同条件下SST的可靠性，而忽略不同耐压等级、不同厂家等因素所造成的相对较小的故障率差异。根据图6 SST的系统拓扑图列出单个功率模块主要元器件故障参数如表1所示。
表1 元器件故障率参数
根据上表可计算出单个功率模块的故障率：
λ=（0.001×12+0.002×6+0.001×6+0.0005+0.001×2+0.005×2+0.002+0.001×4+0.005×4+0.003 x 2）×10-5=0.0745×10-5次/小时。
按照每相5个功率模块计算，三相共计15个功率模块，可计算出SST的总故障率：λ=0.0745×10-5×15=1.1175×10-5次/小时，MTBF为1/λ≈89485小时=10.21年。
为了保障SST的可靠运行，功率模块一般采用冗余配置，假设每相级联的功率模块冗余数为1，那么每一相出现单个功率模块故障时系统工作都不受影响。同时，三相功率模块之间也可以独立工作，任何一相整体故障都不影响另外两相的正常工作，所以如果此时负载率不超过三分之二，整个系统的工作也不会受到影响。在引入冗余机制后，SST的MTBF值将远超计算出的10.21年。
图8 SST电源的可靠性设计
4）SST的系统优势
效率高：SST电源比UPS、HVDC、DC UPS的效率都要高，尤其比UPS供电系统高出3%以上。以一个2.5MW的系统为例，若负载率为90%，则每年可以节省59.13万度电。计算过程如下：
2500kW×90%×3%×24h×365=591300kWh
体积小： SST电源比等容量的UPS、HVDC、DC UPS供电系统体积都要小。根据测算，从中压变压器到列头柜，SST系统的占地面积不到传统UPS供电链路占地面积的50%，可以大幅降低数据中心的灰白区比值，提升机房的得柜率。
减少用铜量：SST电源的一个主要特征就是硅进铜退，采用半导体器件进行调压和整流，替代传统的铜制变压器。据查阅，一台2500kVA容量的10/0.4kV三相交流变压器需要用铜1400kg，而相同容量的SST设备则无需使用。市场上铜的价格一直居高不下，而半导体原材料在自然界中的含量非常高，随着技术的进步和市场用量的增加，半导体器件的价格一定会越来越低。
工期短：SST电源是一个将方案产品化和预制化的典范，从10kV交流输入到800V直流输出完全浓缩到一套设备内，与传统的UPS或HVDC系统相比，它的集成度更高，与10kV交流输入的直流不间断电源系统相比，它的重量更轻、体积更小，所以整个的搬运和施工都非常方便，传统的UPS系统需要几十天完成的工程量换成SST几天就能完成。
5）SST电源遇到的挑战
SST在数据中心直流供电系统中明显具有先进性，但在实际推广和应用中也会面临一些挑战。
a 可靠性挑战
SST包含变压、整流、隔离等多个电力电子模组，理论可靠性很高，但相比传统变压器铁芯+绕组+整流模组的组合，被接受度还需面临考验。虽然采用中压分布式架构可以分散风险，并且具有模块冗余和系统互助保供措施，在其它行业也有几年的安全运行记录，但在数据中心行业还处于试用阶段。
b 成本经济性挑战
固态变压器的核心组件依赖高频电力电子器件（如SiC MOSFET、GaN HEMT等宽禁带半导体），这类器件目前的生产成本远高于传统变压器的铁芯、绕组及整流模组材料，短期内难以与成熟的传统变压器+整流模组竞争。长期来看电力电子器件价格会逐步下降，而铜价是上升趋势，但短时间内的批量应用还会遇到阻力。
c 缺少标准
目前固态变压器是一项新技术，在数据中心的应用还缺乏统一的设计规范、接口标准和测试方法（如安全认证、电磁兼容要求），不同厂商的SST难以协同工作，标准化还需要一定时间。
04 三类电源设备性能比较
表2 高压直流、直流不间断电源、SST三类电源设备性能比较
2、直流静态转换开关
直流静态转换开关（DC Static Transfer Switch, DC STS） 是800V直流供电系统中实现关键负载高可用性的重要保障设备。其核心功能在于当主路直流电源发生异常（如电压过欠压、断电）时，能在毫秒级内将负载切换至备用直流电源，它摒弃了传统机械式开关的物理触点，采用全固态电子器件，实现快速无弧开断，确保了IT设备持续稳定运行。
01 工作原理
DC STS实时监测两路独立800V直流输入的电压、电流等参数，当检测到主路电压超出预设的安全阈值（如过压、欠压、断电），控制系统立即发出指令，驱动高速半导体开关器件先关断主路，再迅速导通备路，完成负载的能源供给转移。整个过程由高性能DSP（数字信号处理器）控制，精准且快速。
02 运行逻辑
当DC STS系统输出从主路取电时，备路的DC/DC模块输出电压比主路的二极管模块输出低，DC/DC模块处于热备份状态。系统输出取自主路二极管模块输出会保持效率最优。当主路工作电源故障或二极管模块输出电压比备路模块低时，DC STS系统输出自动切换到备路，系统输出取自备路DC/DC模块输出。当主路工作电源恢复正常后，系统输出将自动切回主路供电状态，整个切换过程为无扰动切换，避免了由于电源的故障造成整个系统的报警和失效。
图9 DC STS原理拓扑图
03 关键技术
1）超高速切换（<5ms）：采用电力电子技术，切换时间远快于机械开关（通常需要50ms以上）。
2）智能侦测与决策：内置先进的电源管理及负载保护算法，可精准快速实现电源切换及过载、短路等保护措施。
3）无弧切换：固态开关特性从根本上消除了切换过程中产生的电弧，不仅更加安全，也大大提升了设备自身的寿命和可靠性。
4）信息管理与洞察：支持干接点、RS485、IP网口等通信方式，可轻松集成至数据中心基础设施管理系统（DCIM），实现远程监控、策略配置和历史事件记录，提供预测性维护的数据支撑。
3、直流电缆
直流电缆是专门用于传输直流电的电缆，在电动汽车、太阳能发电和储能系统中有广泛应用，这些电缆通常由高质量的铜或铝导体制成，外层包裹绝缘材料，并且具有耐高温和抗腐蚀的特性。
01 直流电缆的特性
1）电场分布均匀
直流电缆表面的电场分布均匀，相同绝缘厚度下，直流电缆能比交流电缆承受更高的电压，在实际应用中减少了局部放电的可能性，提高了电缆的可靠性和寿命。
2）没有电容介质损耗
直流电缆没有电容电流和介质损耗，只有电阻损耗，对于相同截面的电缆，直流传输的功率更大，损耗更低，传输距离更远。
3）不存在集肤效应和邻近效应
电流在整个导体截面上均匀分布，导体利用率达到100%，在高频条件下依然保持高效的电流传输能力。
02 数据中心DC800V直流电缆选型需要考虑的因素
数据中心DC800V电力系统所使用的电缆需要具备耐大电流、绝缘性能好、低烟无卤、耐火阻燃、防电磁干扰等特性，建议采用《额定电压1kV到35kV 挤包绝缘电力电缆及附件 第 1 部分：额定电压 1kV（Um=1.2kV）到 3kV（Um=3.6kV）》GB/T 12706.1-2020标准。
数据中心DC800V直流电缆选型需要考虑的因素如下：
1）电气性能
高导电率：数据中心设备运行需要稳定可靠的电力供应，电缆必须能够承受巨大的电流负载，因此要求电缆材料具有高导电率，推荐电阻率低和导电性良好的铜芯电缆。
低阻抗：电缆要保持低阻抗，以确保电力传输的效率和稳定性，减少电能在传输过程中的损耗。
低温升：考虑到单芯电缆散热性能优于多芯电缆，针对大电流场景，推荐优先使用单芯电缆。
绝缘性能好：具备良好的电气绝缘性能，防止电击事故和电气故障的发生，保证电缆长期使用的稳定性。
2）机械性能
柔韧性：数据中心内电缆敷设路径复杂，可能需要弯曲、扭转等，因此电缆应具有良好的柔韧性，便于安装和维护，同时也能避免因弯曲半径过小而损坏电缆绝缘层和导体。
抗拉强度：能够承受一定的拉力，特别是在采用架空或垂直敷设方式时，电缆要能承受自身重量和可能受到的外力，不出现断裂或损坏的情况。
3）安全性能
耐火阻燃：数据中心作为重要的信息基础设施，对防火安全要求极高，电缆必须具备足够的耐火性和阻燃性。
防电磁干扰：数据中心内电子设备众多，电磁环境复杂，电力电缆需要具备良好的屏蔽性能，防止电磁干扰影响其他设备的正常运行，同时也避免电缆自身受到外界电磁干扰。
4）环境适应性
耐高温：数据中心内部设备密集，发热量大，电缆应能在高温环境下保持性能稳定，其绝缘材料和导体应具有良好的耐高温性能，不会因高温而导致绝缘老化、性能下降。
防潮防腐：数据中心的环境可能存在一定的湿度，电缆应采用防潮、防霉、防腐蚀的材料制成，并具备良好的密封性能，以防止水分和污染物进入，保证电缆的正常运行。
4、直流母线
01 直流母线可以基于交流母线使用
直流母线可以基于现有的交流母线进行计算或换算，并作为直流母线使用。母线厂家在设计及生产直流母线之前都会经过周密的计算和严格测试，通过机构测试并获得CCC认证之后才会推向市场。载流量、额定绝缘电压（如1500V）等参数应以厂家提供数据为准。
对于DC800V二线电力传输，用直流母线槽的两根导体做正极，两根导体做负极。对于±400V三线电力传输，母线槽可采用一根导体或两根导体并联作为中性线传输，为后续负荷提供DC400V和DC800V两种供电电压，应用比较灵活。
根据热效应规则，对于二线传输，单根导体承载的最大电流Idc = (√3/2 ) Iac ，对于三线传输，单根导体承载的最大电流 Idc =Iac。
图10 直流母线槽常见的正负极排列方式
02 直流母线预期短路电流
关于直流母线的短路故障电流，假设交流母线对应的交流短路电流的有效值（RMS）如表3所示，因为交流短路电动力最大值出现在电流的峰值时刻，而直流电流是恒定的，只有当直流电流的大小等于交流电流的峰值时，两者产生的最大电动力才可能“等效”，而交流电峰值电流为有效值的√2倍，为了保证直流系统的短路电动力不超过母线槽的设计能力，依据国标《低压成套开关设备和控制设备第1部分：总则》GB/T7251.1-2023 9.3.3允许的直流故障电流大约是同等交流系统有效值故障电流的1.42倍。
表3 交直流母线预期短路电流对照表
03 直流母线的主要部件
1）始端箱
始端箱一般会配置有直流断路器进行保护，根据客户需求配备有监控、通讯及浪涌保护等元器件，如智能通讯表计，浪涌及后备开关，网关等
2）直线段
目前市场上主流的直流母线分固定式插接口和全长度可插拔式，前者插口为固定式，后者用户可在母线槽全长度上按需插拔。
3）插接箱
插接箱一般会配置有直流断路器进行保护，根据客户需求配备有监控、通讯及浪涌保护等元器件，如智能通讯表计，浪涌及后备开关等。
图11 插接箱
来源：文章节选自《数据中心800V直流供电技术白皮书》（2.0）
