AI数据中心之供电电源架构详解

AI数据中心之供电电源架构详解

随着AI技术的快速发展，数据中心作为AI基础设施的核心组成部分，其供电系统的稳定性和效率变得尤为重要。本文将详细解析AI数据中心中常见的供电电源架构，包括传统UPS、HVDC、MVDC（巴拿马电源）和OCP等方案，帮助读者全面了解这些技术的原理和应用场景。

一、传统的UPS电源

具体如下图所示。需要注意的是，市政电源电压等级和容量有不同的分类，为了提高数据中心供电可靠性，减少电网故障的干扰，大型数据中心一般采用110kV甚至更高电压等级市电电源。后备电源通常为柴油发电机组，数据中心建设采用10kV高压柴油发电机作为后备电源已成为一种趋势。ktdy就是柴油发电机组。

放大UPS和蓄电池这个模块，具体如下图所示。我们可以看到这里，有交流（AC）转直流（DC）和DC转AC两次变换，这个是重点要记住。此外，图里的 ECO 模式是 UPS 通过旁路来进行供电，在停电或者电网波动超过设定上线时自动切换到双变换模式，说白了就是市电直供。如果不动也没关系，不影响理解。早期的数据中心供配电建设基本都采用交流UPS供电方案，不过会有各种微创新，比如N+1、2N、N+R等供电架架构。

二、HVDC电源

放大HVDC和蓄电池这个模块，具体如下图所示。我们可以看到这里只有AC转DC一次变换。HVDC 在初期推广宣传时非常强调其“一级变换”理论，宣称比 UPS 效率高的原因是只需要 AC/DC 的一级变换，而不像 UPS 需要 AC转DC 和 DC转AC 的两级变换，所以具有更高的运行效率。但是事实上，HVDC 的 DC 并不能通过一级变换得到。根据 YD/T2378—2011 通信行业标准的要求“交流输入应与直流输出电气隔离”。这意味着在 HVDC 电源中必须有隔离变压器，所以内部其实存在 AC转DC、DC转AC、高频变压器、DC转AC 的三级变换拓扑，这是 HVDC 电源必然的选择。

三、MVDC电源

为了进一步提高数据中心的运行效率，国内一些大厂对 HVDC 在效率与可交付性上进行了创新发展，推出了 10kV 交流输入的直流供电不间断电源系统（MVDC 电源），也就是巴拿马电源。其实，巴拿马电源也属于HVDC的一种。

巴拿马电源供电制式确实展示了在电力转换和传输效率上的重大进步，主要有以下优势：

1. 整合10kV中压变压器与HVDC。通常，HVDC系统和中压变压器等在物理和功能上是分开的，但此创新通过将两者集成为一个单一系统，不仅简化了供电系统的结构，还可能减少了相关的硬件和维护成本。这种整合有助于提高整体的系统可靠性和响应速度。

2. 采用36脉冲中压移相变压器优化HVDC拓扑。通过使用36脉冲移相变压器，电源系统的变换级从三级降至两级，这种设计改进不仅简化了HVDC模块的结构，还显著提高了整个系统的能效。此拓扑优化使AC 10kV 到DC 276V 的转换效率提高至97%，减少了能量在转换过程中的损耗。

3. 提升系统交付能力。通过这项技术的改进，单个系统的电力输出能力得以显著增加，提升到1.2MW甚至更高。我印象里td的巴拿马电源单套系统最大可支持2.5MW。这不仅提高了单个供电系统的功率输出，还增强了其服务更大规模需求的能力，对于大型工业设施或数据中心等高电力需求场合尤为重要。

就巴拿马这一块在国内应用还是蛮多的，就有大家这几天一直问的标的，贴张图大家欣赏一下，感兴趣的可自行搜索。就跟我之前说的一样，海外就先别想了，据我所知推广起来也蛮难的。

四、OCP供电方案

在2016年3月9号的OCP 2016峰会上，谷歌宣布加入了OCP联盟，并贡献了其48V整机柜解决方案。OCP ORV3方案就是现在英伟达等主流大厂的供电方案。该方案的主要目的是提高数据中心的能源效率和降低运营成本，具体有以下优势：

1. 机柜级电源。传统的设计中，每台服务器都配备一个或多个电源供应单元（PSU）。在OCP方案中，将单独的PSU从服务器中移除，并将它们整合到机柜级别。这意味着一个机柜的所有服务器将共享一个集中的大型电源供应单元。mgmt等就是供这种电源。

2. 汇流铜排（Busbar）。服务器从机柜级的电源单元接收电力，通常是通过安装在机柜后部的汇流铜排来实现。这种设计减少了传统电源线的使用，有助于提高电力传输效率并减少能量损失。

3. 储能系统的后移。在OCP设计中，去掉了机房级UPS，而是在机柜内实现UPS功能。这样可以更有效地管理备用电力和应对电源中断。

更具体的技术和价值量等细节本文都没有讲到，感兴趣的可以自行查找或者留言发问。乱花渐欲迷人眼，有些标的是真的有东西，有些就是风口上的猪，但是我还是建议寻找最具确定性的标的。但是你愿意做弄潮儿，那也是无可厚非。我建议这里大家应该寻找这些不同方案中的交叉点，比如可以供国内也可以供国外的，当然我建议还是供国外的为主，毕竟还是海外量大。

最后比较一下几种不同的方案优缺点。

方案1: 2N方案

代表性用户: 传统的大型数据中心，如某些EDC和金融行业数据中心。

配置特性: 依赖于双路UPS系统；UPS系统间具有全冗余性；其他部分设备亦采用冗余设计，保障电源供应的持续性。

优点: 极高的稳定性和安全性，适合要求高可靠性的关键任务。

缺点: 成本较高，且可能因为冗余设备而造成资源浪费。

方案2: N+R方案

代表性用户: AWS, Equinix等大型云服务提供商或数据中心。

配置特性: 单路UPS加上R/N备份电源；UPS具备部分冗余性。

优点: 成本较低，但依然能提供一定的冗余保护。

缺点: 如果主电源发生故障，可能不如2N方案稳定。

方案3: HVDC方案

代表性用户: 引入创新技术的数据中心，如部分国内数据中心，阿里巴巴、腾讯、电信、移动、百度等等。

配置特性: 采用HVDC系统加强供电；HVDC系统具有一定的冗余性。

优点: 效率更高，可以减少能源损失。

缺点: 技术相对复杂，需要特定的设备和维护。

方案4: OCP方案

代表性用户:的开放计算项目。

配置特性: 没有传统的UPS和HVDC，采用OCP定制的PSU方案。

优点: 设计更为开放和模块化，有助于降低成本和提高效率。

缺点: 对于非参与OCP项目的IT设施，可能需要额外的兼容性调整。