AI数据中心电源行业报告：HVDC还是UPS

数据中心供配电系统是整个从电源线路进用户起，经过高、低压供配电设备到负载为止的电路系统。数据中心供配电系统中主要包括市电引入、高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统、输入低压配电系统、不间断电源系统、列头柜/母线槽配电系统和机架配电系统等。供配电系统是数据中心的“心脏和血管”，负责把能量输送到系统的每台设备，在数据中心内发挥着至关重要的作用。 交流UPS和HVDC是当前数据中心主要的两种供电方案。数据中心的供电方案主要分为交流UPS（不间断电源）供电架构、HVDC（高压直流）供电架构、中压直供集成式供电架构（巴拿马电源）和电能路由器，其中交流UPS和HVDC是目前数据中心应用最多的两种供电方案。在交流UPS供电架构中，交流市电需经过AC/DC整流环节、DC/AC逆变环节转换成负载设备需要的电能；而HVDC供电架构省去了逆变环节，能够具有更高的电源效率。巴拿马电源是由阿里巴巴联合台达开发的IDC供电方案，对多个核心环节进行了柔性集成，效率更高、占地面积更小，该方案主要由阿里巴巴大规模部署。电能路由器（EER）能够满足数据中心源网荷储一体化融合要求，有助于连接数据中心和绿色电力，未来有望逐步应用。 随着AI算力需求快速提升，具有显著优势的HVDC未来有望逐步替代交流UPS。 1）算力需求快速增长推动AI数据中心用电需求持续提升，HVDC能够输出更高电压等级，目前普遍采用的输出电压为240V和336V，未来将向更高电压等级发展，以满足AI数据中心快速增长的功率需求；2）HVDC相较于交流UPS省去了逆变环节，有利于降低电能损耗、提高可靠性；3）HVDC系统在占地面积、建设成本、运营成本上均优于交流UPS。我们认为，随着AI迅猛发展和算力需求急剧增加，AI数据中心供配电系统面临着效率和节地等指标进一步提升的迫切需求，以上因素将持续推动数据中心供电技术由交流UPS向HVDC发展，未来HVDC在AI数据中心的渗透率有望持续提升。 数据中心UPS市场规模稳步提升，HVDC仍有较大成长空间。我国HVDC应用从通信网络开始，而后推广至互联网企业数据中心，推动HVDC应用需求快速提升；海外数据中心HVDC应用则处于起步阶段，维谛已具备数据中心400V HVDC供电系统解决方案，未来有望逐步推广。根据赛迪顾问，2023年中国UPS市场规模为97.7亿元。当前在AI数据中心中，交流UPS仍是主要的供电方案，但HVDC应用也在逐渐加速；根据国企网援引的数据，在2023年运营商和互联网交直流电源应用的市场中，高压直流占总容量比例约10%，但其2021-2023年的年均增长率为33%，呈现快速发展的趋势。2023年我国UPS市场份额前三的企业分别为华为、科华数据和维谛，其市场份额合计超40%；2022年我国数据中心HVDC产品市场集中度较高，头部三家企业中恒电气、中达电通（台达）、维谛的市场份额合计约90%，其他供应商则包括动力源等。 投资建议：AI数据中心供电系统呈现由交流UPS向HVDC发展的趋势，相关企业有望充分受益。随着AI产业快速发展，HVDC在AI数据中心优势凸显，其渗透率有望持续提升。国内数据中心HVDC市场集中度较高，我们认为已有成熟HVDC产品的企业、以及拥有潜在HVDC产品开发能力的企业将迎来发展机遇。 建议重点关注HVDC产品经验丰富的中恒电气；具备成熟电力电子技术经验的禾望电气；拥有潜在HVDC产品开发能力的科华数据、科士达。 风险分析：AI技术发展不及预期风险；竞争加剧风险；海外市场经营风险。 投资聚焦 我们的创新之处 1、通过详细对比HVDC（高压直流）与交流UPS（不间断电源）的技术差异，分析了HVDC替代UPS的必然性。通过对比HVDC与交流UPS的技术特点，从结构、电能损耗、可靠性、占地面积、成本等维度论证了HVDC的相对技术优势，进而判断数据中心供电系统的技术演进方向。 2、分析了HVDC替代交流UPS后对服务器机架中AC-DC电源的影响。通过梳理现有的主流AC-DC服务器电源对直流输入的兼容情况，分析了HVDC的应用对AC-DC服务器电源应用规模的影响。 3、对国内UPS、数据中心HVDC的竞争格局和市场份额进行了拆解，为投资者提供了较为明确的市场预期和投资参考。 股价上涨的催化因素 （1）AI发展超预期：近年来人工智能实现了高速发展，若未来AI技术及应用实现突破，算力需求有望进一步提升，数据中心建设将持续加速，将利好AI数据中心电源需求。 （2）HVDC渗透率提升超预期：当前数据中心供电方案仍主要以交流UPS为主，若未来HVDC渗透率实现加速提升，将有利于推动相关公司股价上涨。 （3）技术突破超预期：由于数据中心HVDC等属于高技术壁垒产品，若能够在技术上实现超预期突破，将有利于推动相关公司股价上涨。 投资观点 AI数据中心供电系统呈现由交流UPS向HVDC发展的趋势，相关企业有望充分受益。随着AI产业快速发展，HVDC在AI数据中心优势凸显，其渗透率有望持续提升。国内数据中心HVDC市场集中度较高，我们认为已有成熟HVDC产品的企业、以及拥有潜在HVDC产品开发能力的企业将迎来发展机遇。建议重点关注HVDC产品经验丰富的中恒电气；具备成熟电力电子技术经验的禾望电气； 拥有潜在HVDC产品开发能力的科华数据、科士达。 1、供配电系统保障数据中心稳定运行 数据中心供配电系统是整个从电源线路进用户起，经过高、低压供配电设备到负载为止的电路系统。数据中心供配电系统中主要包括市电引入、高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统、输入低压配电系统、不间断电源系统、列头柜/母线槽配电系统和机架配电系统等。 数据中心供配电各子系统各司其职。高压变配电系统将市电通过变压器转换为380V，供后级低压设备用电；柴油发电机系统主要作为后备电源，一旦市电失电，系统将迅速启动为后级低压设备提供备用电源；自动转换开关系统用于自动完成市电与市电或市电与柴油发电机之间的备用切换；输入低压配电系统的作用是将前级电能分配给UPS、空调、照明等各类型用电设备；不间断电源系统用于为IT负载提供纯净、可靠的用电保护；列头柜/小母线系统将UPS的输出电能分配给IT机柜；机架配电系统用于分配机架内的电能，通常采用PDU来实现机架内IT设备的电能分配。 图1：AI数据中心供配电系统整体架构图 供配电系统在数据中心内发挥着至关重要的作用。数据中心供配电系统是为机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠动力电源支持的系统，是数据中心日常运维的重大支出之一。供配电系统是数据中心的“心脏和血管”，负责把能量输送到系统的每台设备。供配电系统故障会导致IT设备断电宕机，大型数据中心供电的任何故障都可能带来重大经济损失。 我国A级数据中心供配电系统主要有3种架构：2N、DR、RR。 1）2N系统：由2个供配电单元组成，每个单元均能满足全部负载的用电需要，2个单元同时工作，互为备用。正常运行时，每个单元向负载提供50%的电能； 当一个单元因故障停止运行时，另一个单元向负载提供100%的电能。 2）DR（分布冗余）系统：由N（N≥3）个配置相同的供配电单元组成，N个单元同时工作。将负载均分为N组，每个供配电单元为本组负载和相邻负载供电，形成“手拉手”的供电方式。正常运行下，每个供配电单元的负荷率为66%。 当一个供配电系统发生故障时，其对应负载由相邻供配电单元继续供电。 3）RR（后备冗余）系统：由多个供配电单元组成，其中一个单元作为其它运行单元的备用。当一个运行单元发生故障时，通过电源切换装置，备用单元继续为负载供电。 图2：数据中心2N、DR、RR系统供配电架构图 2、HVDC供电系统渗透率有望持续提升 HVDC供电系统是什么？ 交流UPS和HVDC是当前数据中心主要的两种供电方案。数据中心的供电方案主要可以分为交流UPS（不间断电源）供电架构、HVDC（高压直流）供电架构、中压直供集成式供电架构（巴拿马电源）和电能路由器架构，其中交流UPS和HVDC是目前数据中心应用最多的两种供电方案。根据我国《数据中心设计规范》，在确定不间断电源系统的基本容量时，应留有余量，不间断电源系统的基本容量需大于等于IT设备计算负荷的1.2倍。 1）交流UPS供电架构：由整流器、逆变器、蓄电池组、静态STS切换开关组成。在系统正常工作时，交流电经过AC/DC整流环节转换成直流电，再经过DC/AC逆变环节转换成需要的交流电，为负载设备提供电能，同时直流电为蓄电池组充电；当市电异常或中断时，蓄电池组立即向逆变器放电，经过DC/AC逆变环节继续为负载设备供电；当UPS的整流或逆变环节发生故障时，通过STS切换开关，市电由交流旁路直接向负载设备供电。 UPS 2N架构：由两套完全独立的UPS系统、同步LBS控制器、静态STS切换开关、变压器等设备组成，又称为UPS双总线供电架构。在该架构中，两套UPS系统从不同的低压配电系统引电，平时每套系统带载一半负荷，当一套系统出现故障时另外一套系统带载全部负荷。 图3：交流UPS供电架构 图4：UPS 2N架构 2）HVDC（高压直流）供电架构：由交流配电模块、整流器、直流配电模块、蓄电池组和监控装置组成。其中整流器为其核心部件，当市电正常供电时，交流市电经过AC/DC整流后转换成直流电，直接给负载设备提供电能，并对蓄电池组进行充电；当市电运行故障时，蓄电池组立即给负载设备连续不间断地供电。 相较于交流UPS，HVDC供电系统省去了逆变环节，能够具有更高的电源效率。 240V 2N直流供电架构：由两套完全独立的240V直流系统组成。两套240V直流系统从不同的低压配电系统引电，平时每套240V直流系统带一半负载，当一套系统出现故障时另外一套系统带全部负载。 图5：HVDC供电架构 图6：240VHVDC2N架构 3）中压直供集成式不间断供电架构（巴拿马电源）：将10kV配电、隔离中压变压、模块化不间断电源和输出配电等环节进行了柔性集成。 目前应用中的中压直供集成式供电架构主要以巴拿马电源供电方案为主。巴拿马电源内部结构中，10kV市电经过移相变压器降压至400V，再经过整流和降压转换，输出240V或直流336V的直流电，最后通过直流输出配电柜为负载设备供电。 巴拿马供电技术本质上属于一类高压直流供电形式，其与HVDC的主要区别在于，①把常规型号变压器更换为新型移相变压器；②把AC/DC转换环节变更为调压整流环节。巴拿马电源供电方案通过省略中间环节来进一步提升系统效率，相比传统数据中心的供电方案，其占地面积减少50%，设备和工程施工量可节省40%，架构简洁、可靠性高；且蓄电池单独安装，系统容量可以根据需求进行灵活配置。 图7：中压直供集成式供电架构 图8：巴拿马电源内部结构 巴拿马电源是由阿里巴巴联合台达开发的IDC供电方案。2019年，台达携手阿里巴巴推出“数据中心巴拿马电源”，其功率模块效率达98.5%。由于巴拿马电源最初是定制化方案，因此该供电系统主要由阿里巴巴大规模部署。 图9：阿里杭州数据中心巴拿马电源 图10：阿里内蒙数据中心巴拿马电源 4）电能路由器（EER）：是一种具有电能变换、控制和通信等综合功能的电力电子变压器，在某些应用场合也称固态变压器（SST），其充分结合了电力电子器件和拓扑，以及分布式高频变压器，兼备电气隔离、不同电压制式转换、无功补偿等功能。 EER具有以下优势：①改善电能质量，提高供配电链路整体效率、节省运营成本； ②采用完全电力电子变换的形式和相应的分层控制策略，可以完全替代基于以往的工频变压器和低压侧功率变换环节的传统供配电架构，大大缩短了中压交流市电到IT设备负载端的供电链路，提高了空间利用率；③作为连接光伏、储能等重要设备的枢纽，满足数据中心源网荷储一体化融合的要求。 电能路由器有助于连接数据中心和绿色电力，未来有望逐步应用。电能路由器有助于解决AI算力快速增长所带来的能源挑战，将成为连