【光大電新&海外】AI 數據中心電源：HVDC 還是 UPS？

報告標題：《AI 數據中心電源：HVDC 還是 UPS？——電力 AI 系列報告二》

報告發布日期：2025年2月21日

分析師：

殷中樞（執業證書編號：S0930518040004）

郝騫（執業證書編號：S0930520050001）

和霖（執業證書編號：S0930523070006）

聯繫人：鄧怡亮

數據中心供配電系統是整個從電源線路進用户起，經過高、低壓供配電設備到負 載為止的電路系統。數據中心供配電系統中主要包括市電引入、高壓變配電系統、柴油發電機系統、自動轉換開關係統、輸入低壓配電系統、不間斷電源系統、列 頭櫃/母線槽配電系統和機架配電系統等。供配電系統是數據中心的「心臟和血 管」，負責把能量輸送到系統的每台設備，在數據中心內發揮着至關重要的作用。

交流 UPS 和 HVDC 是當前數據中心主要的兩種供電方案。數據中心的供電方案主要分為交流 UPS（不間斷電源）供電架構、HVDC（高壓直流）供電架構、中壓直供集成式供電架構（巴拿馬電源）和電能路由器，其中交流 UPS 和 HVDC是目前數據中心應用最多的兩種供電方案。在交流 UPS 供電架構中，交流市電需經過 AC/DC 整流環節、DC/AC 逆變環節轉換成負載設備需要的電能；而 HVDC供電架構省去了逆變環節，能夠具有更高的電源效率。巴拿馬電源是由阿里巴巴聯合臺達開發的 IDC 供電方案，對多個核心環節進行了柔性集成，效率更高、 佔地面積更小，該方案主要由阿里巴巴大規模部署。電能路由器（EER）能夠滿足數據中心源網荷儲一體化融合要求，有助於連接數據中心和綠色電力，未來有望逐步應用。

隨着 AI 算力需求快速提升，具有顯著優勢的 HVDC 未來有望逐步替代交流 UPS。1）算力需求快速增長推動 AI 數據中心用電需求持續提升，HVDC 能夠輸出更高電壓等級，目前普遍採用的輸出電壓為 240V 和 336V，未來將向更高電壓等級發展，以滿足 AI 數據中心快速增長的功率需求；2）HVDC 相較於交流UPS省去了逆變環節，有利於降低電能損耗、提高可靠性；3）HVDC 系統在佔地面積、 建設成本、運營成本上均優於交流 UPS。我們認為，隨着 AI 迅猛發展和算力需求急劇增加，AI 數據中心供配電系統面臨着效率和節地等指標進一步提升的迫切需求，以上因素將持續推動數據中心供電技術由交流 UPS 向 HVDC 發展，未來 HVDC 在 AI 數據中心的滲透率有望持續提升。

數據中心 UPS 市場規模穩步提升，HVDC 仍有較大成長空間。我國 HVDC 應用從通信網絡開始，而后推廣至互聯網企業數據中心，推動 HVDC 應用需求快速提升；海外數據中心 HVDC 應用則處於起步階段，維諦已具備數據中心 400V HVDC 供電系統解決方案，未來有望逐步推廣。根據賽迪顧問，2023 年中國UPS市場規模為 97.7 億元。當前在 AI 數據中心中，交流 UPS 仍是主要的供電方案，但 HVDC 應用也在逐漸加速；根據國企網援引的數據，在 2023 年運營商和互聯網交直流電源應用的市場中，高壓直流佔總容量比例約 10%，但其 2021-2023年的年均增長率為 33%，呈現快速發展的趨勢。2023 年我國 UPS 市場份額前三的企業分別為華為、科華數據和維諦，其市場份額合計超40%；2022 年我國數據中心 HVDC 產品市場集中度較高，頭部三家企業中恆電氣、中達電通（台 達）、維諦的市場份額合計約 90%，其他供應商則包括動力源等。

投資建議：AI 數據中心供電系統呈現由交流 UPS 向 HVDC 發展的趨勢，相關企 業有望充分受益。隨着 AI 產業快速發展，HVDC 在 AI 數據中心優勢凸顯，其滲 透率有望持續提升。國內數據中心 HVDC 市場集中度較高，我們認為已有成熟 HVDC 產品的企業、以及擁有潛在 HVDC 產品開發能力的企業將迎來發展機遇。建議重點關注 HVDC 產品經驗豐富的中恆電氣；具備成熟電力電子技術經驗的禾望電氣；擁有潛在 HVDC 產品開發能力的科華數據、科士達。

風險分析：AI 技術發展不及預期風險；競爭加劇風險；海外市場經營風險。

投資聚焦

2024年全球AI投資規模維持高速增長，其數據中心的高耗能屬性也給全球範圍內的電力供需形勢帶來了深遠變化。市場較為關心數據中心用電量快速增長對全球能源供應體系的影響、以及全球重點能源公司在過去兩年AI浪潮中的股價表現，本篇報告就上述問題進行了詳細解答。

我們的創新之處

（1）通過詳細對比 HVDC（高壓直流）與交流 UPS（不間斷電源）的技術差異， 分析了 HVDC 替代 UPS 的必然性。通過對比 HVDC 與交流 UPS 的技術特點， 從結構、電能損耗、可靠性、佔地面積、成本等維度論證了 HVDC 的相對技術優勢，進而判斷數據中心供電系統的技術演進方向。

（2）分析了 HVDC 替代交流 UPS 后對服務器機架中 AC-DC 電源的影響。通過梳理現有的主流 AC-DC 服務器電源對直流輸入的兼容情況，分析了 HVDC 的應用對 AC-DC 服務器電源應用規模的影響。 

（3）對國內 UPS、數據中心 HVDC 的競爭格局和市場份額進行了拆解，為投資者提供了較為明確的市場預期和投資參考。

股價上漲的催化因素

（1）AI 發展超預期：近年來人工智能實現了高速發展，若未來 AI 技術及應用實現突破，算力需求有望進一步提升，數據中心建設將持續加速，將利好 AI 數據中心電源需求。 

（2）HVDC 滲透率提升超預期：當前數據中心供電方案仍主要以交流 UPS 為主， 若未來 HVDC 滲透率實現加速提升，將有利於推動相關公司股價上漲。 

（3）技術突破超預期：由於數據中心 HVDC 等屬於高技術壁壘產品，若能夠在 技術上實現超預期突破，將有利於推動相關公司股價上漲。

投資觀點

AI 數據中心供電系統呈現由交流 UPS 向 HVDC 發展的趨勢，相關企業有望充分 受益。隨着 AI 產業快速發展，HVDC 在 AI 數據中心優勢凸顯，其滲透率有望持 續提升。國內數據中心 HVDC 市場集中度較高，我們認為已有成熟 HVDC 產品 的企業、以及擁有潛在 HVDC 產品開發能力的企業將迎來發展機遇。建議重點 關注 HVDC 產品經驗豐富的中恆電氣；具備成熟電力電子技術經驗的禾望電氣； 擁有潛在 HVDC 產品開發能力的科華數據、科士達。

目錄

正文

1

供配電系統保障數據中心穩定運行

數據中心供配電系統是整個從電源線路進用户起，經過高、低壓供配電設備到負載為止的電路系統。數據中心供配電系統中主要包括市電引入、高壓變配電系統、 柴油發電機系統、自動轉換開關係統、輸入低壓配電系統、不間斷電源系統、列 頭櫃/母線槽配電系統和機架配電系統等。 

數據中心供配電各子系統各司其職。高壓變配電系統將市電通過變壓器轉換為 380V，供后級低壓設備用電；柴油發電機系統主要作為后備電源，一旦市電失 電，系統將迅速啟動為后級低壓設備提供備用電源；自動轉換開關係統用於自動 完成市電與市電或市電與柴油發電機之間的備用切換；輸入低壓配電系統的作用 是將前級電能分配給 UPS、空調、照明等各類型用電設備；不間斷電源系統用 於為 IT 負載提供純淨、可靠的用電保護；列頭櫃/小母線系統將 UPS 的輸出電 能分配給 IT 機櫃；機架配電系統用於分配機架內的電能，通常採用 PDU 來實現 機架內 IT 設備的電能分配。

供配電系統在數據中心內發揮着至關重要的作用。數據中心供配電系統是為機房 內所有需要動力電源的設備提供穩定、可靠動力電源支持的系統，是數據中心日 常運維的重大支出之一。供配電系統是數據中心的「心臟和血管」，負責把能量 輸送到系統的每台設備。供配電系統故障會導致 IT 設備斷電宕機，大型數據中 心供電的任何故障都可能帶來重大經濟損失。

我國 A 級數據中心供配電系統主要有 3 種架構：2N、DR、RR。 

1）2N 系統：由 2 個供配電單元組成，每個單元均能滿足全部負載的用電需要，

2 個單元同時工作，互為備用。正常運行時，每個單元向負載提供 50%的電能；

當一個單元因故障停止運行時，另一個單元向負載提供 100%的電能。

2）DR（分佈冗余）系統：由 N（N≥3）個配置相同的供配電單元組成，N 個

單元同時工作。將負載均分為 N 組，每個供配電單元為本組負載和相鄰負載供

電，形成「手拉手」的供電方式。正常運行下，每個供配電單元的負荷率為 66%。當一個供配電系統發生故障時，其對應負載由相鄰供配電單元繼續供電。

3）RR（后備冗余）系統：由多個供配電單元組成，其中一個單元作為其它運行

單元的備用。當一個運行單元發生故障時，通過電源切換裝置，備用單元繼續為

負載供電。

2

HVDC 供電系統滲透率有望持續提升

HVDC 供電系統是什麼？

交流 UPS 和 HVDC 是當前數據中心主要的兩種供電方案。數據中心的供電方案

主要可以分為交流 UPS（不間斷電源）供電架構、HVDC（高壓直流）供電架構、中壓直供集成式供電架構（巴拿馬電源）和電能路由器架構，其中交流 UPS 和HVDC 是目前數據中心應用最多的兩種供電方案。根據我國《數據中心設計規

範》，在確定不間斷電源系統的基本容量時，應留有余量，不間斷電源系統的基

本容量需大於等於 IT 設備計算負荷的 1.2 倍。

1）交流 UPS 供電架構：由整流器、逆變器、蓄電池組、靜態 STS 切換開關組 成。在系統正常工作時，交流電經過 AC/ DC 整流環節轉換成直流電，再經過 DC/AC 逆變環節轉換成需要的交流電，為負載設備提供電能，同時直流電為蓄 電池組充電；當市電異常或中斷時，蓄電池組立即向逆變器放電，經過 DC/AC 逆變環節繼續為負載設備供電；當 UPS 的整流或逆變環節發生故障時，通過 STS 切換開關，市電由交流旁路直接向負載設備供電。 

UPS 2N 架構：由兩套完全獨立的 UPS 系統、同步 LBS 控制器、靜態 STS 切換 開關、變壓器等設備組成，又稱為 UPS 雙總線供電架構。在該架構中，兩套 UPS

系統從不同的低壓配電系統引電，平時每套系統帶載一半負荷，當一套系統出現 故障時另外一套系統帶載全部負荷。

2）HVDC（高壓直流）供電架構：由交流配電模塊、整流器、直流配電模塊、 蓄電池組和監控裝置組成。其中整流器為其核心部件，當市電正常供電時，交流 市電經過 AC/DC 整流后轉換成直流電，直接給負載設備提供電能，並對蓄電池 組進行充電；當市電運行故障時，蓄電池組立即給負載設備連續不間斷地供電。 相較於交流 UPS，HVDC 供電系統省去了逆變環節，能夠具有更高的電源效率。

240V 2N 直流供電架構：由兩套完全獨立的 240V 直流系統組成。兩套 240V 直 流系統從不同的低壓配電系統引電，平時每套 240V 直流系統帶一半負載，當一 套系統出現故障時另外一套系統帶全部負載。

3）中壓直供集成式不間斷供電架構（巴拿馬電源）：將 10kV 配電、隔離中壓 變壓、模塊化不間斷電源和輸出配電等環節進行了柔性集成。

目前應用中的中壓直供集成式供電架構主要以巴拿馬電源供電方案為主。巴拿馬 電源內部結構中，10kV 市電經過移相變壓器降壓至 400V，再經過整流和降壓轉 換，輸出 240V 或直流 336V 的直流電，最后通過直流輸出配電櫃為負載設備供 電。

巴拿馬供電技術本質上屬於一類高壓直流供電形式，其與 HVDC 的主要區別在 於，①把常規型號變壓器更換為新型移相變壓器；②把 AC/DC 轉換環節變更為 調壓整流環節。巴拿馬電源供電方案通過省略中間環節來進一步提升系統效率， 相比傳統數據中心的供電方案，其佔地面積減少 50%，設備和工程施工量可節 省 40%，架構簡潔、可靠性高；且蓄電池單獨安裝，系統容量可以根據需求進 行靈活配置。

巴拿馬電源是由阿里巴巴聯合臺達開發的 IDC 供電方案。2019 年，臺達攜手阿 里巴巴推出「數據中心巴拿馬電源」，其功率模塊效率達 98.5%。由於巴拿馬 電源最初是定製化方案，因此該供電系統主要由阿里巴巴大規模部署。

4）電能路由器（EER）：是一種具有電能變換、控制和通信等綜合功能的電力電子變壓器，在某些應用場合也稱固態變壓器（SST），其充分結合了電力電子 器件和拓撲，以及分佈式高頻變壓器，兼備電氣隔離、不同電壓制式轉換、無功 補償等功能。

 EER 具有以下優勢：①改善電能質量，提高供配電鏈路整體效率、節省運營成本； ②採用完全電力電子變換的形式和相應的分層控制策略，可以完全替代基於以往 的工頻變壓器和低壓側功率變換環節的傳統供配電架構，大大縮短了中壓交流市電到IT設備負載端的供電鏈路，提高了空間利用率；③作為連接光伏、儲能等重要設備的樞紐，滿足數據中心源網荷儲一體化融合的要求。電能路由器有助於連接數據中心和綠色電力，未來有望逐步應用。

電能路由器有助於解決AI算力快速增長所帶來的能源挑戰，將成為連接數據中心與綠色電力之間的橋樑。隨着AI服務器的迅猛發展和雙碳戰略的穩步實施，超大規模數據中心對於新能源和儲能等設備的吸納和融合將越來越深入和密切，未來電能路由器在數據中心的應用比例有望逐步得到提升。

從各類數據中心供電架構的優劣勢來看：

1）交流 UPS 供電架構：①優點：輸出的電能品質高；無轉換時間。②缺點：供 電效率較低，電能損失嚴重；結構複雜，維護困難；供電可靠性較差。 

2）高壓直流供電架構：①優點：節能；供電可靠性高；無「零地」電壓問題； 有利於新能源的接入。②缺點：對配電開關滅弧性能要求高；換流設備成本較高。

 3）巴拿馬電源系統：①優點：供電架構極簡，電能轉換效率高；佔地面積少， 節省投資；可靠性高。②缺點：變壓器需要定製，設備成本較傳統變壓器高；應 用案例較少，技術成熟度待時間驗證；對於小型數據中心或現有數據中心供電系 統改造，巴拿馬電源方案限制條件較多，如無法替換在網運行的部分不間斷電源。

為什麼要用 HVDC 替代交流 UPS？

隨着 AI 算力需求快速提升，具有顯著優勢的 HVDC 未來有望逐步替代交流 UPS。 HVDC 相較於交流 UPS，具有結構相對簡單且可靠性高、佔地面積小、投資成本低、運營成本低等優勢。HVDC 有望逐步替代傳統的 UPS 供電系統，成為數據中心未來的供電新模式，除此之外，算力需求快速增長推動 AI 數據中心用電需求持續提升，也進一步推動了 HVDC 滲透率的提升。

1）HVDC 能夠輸出更高電壓等級，以滿足 AI 數據中心快速增長的功率需求。

在 AI 快速發展的時代背景下，AI 數據中心算力需求持續提升，英偉達的 AI 芯片 功率也從A100的400W提升至B200的1000W及以上，服務器功率密度得到顯著增加。爲了滿足服務器快速增長的功率需求，這就要求數據中心供電系統的電壓輸出向高等級發展。 

目前普遍採用的 HVDC 供電系統輸出電壓為240V和336V，其中240V佔絕大 部分，主要原因是數據中心240V HVDC能夠兼容原來使用交流220V供電的IT設備，為其提供不間斷供電。未來隨着 HVDC 供電系統向更高電壓等級發展，AI數據中心將能夠實現更高的功率密度。

2）HVDC 相較於交流 UPS 省去了逆變環節，有利於降低電能損耗、提高可靠性。

在交流 UPS 系統中，交流市電需經過 AC/DC 整流環節和 DC/AC 逆變環節，再 轉換成需要的交流電；而 HVDC 供電系統省去了逆變環節，交流市電只需經過 AC/DC 整流成直流電，直接為負載設備提供電能，更少的電能變換次數有利於降低電能損耗。此外，交流 UPS 系統的結構相對複雜，工頻整流部分、逆變部分、靜態開關部分，其中一個模塊發生故障都會導致整個系統不可用，因此交流 UPS 系統的可靠性低於 HVDC 系統。

3）HVDC 系統在佔地面積、建設成本、運營成本上均優於交流 UPS。

以建設一個 100kW 的供電系統為例，通過對比一套傳統 120kVA（1+1）冗余交流 UPS 供電系統和一套 100KW 高壓直流供電系統的效益，可以測算得到：在100kW 供電系統中，HVDC 比交流 UPS 節約面積 28.44%、節約建設成本49.09%、節約運營成本 13.95%。HVDC 系統在佔地面積、建設成本、運營成本等方面的效益上均優於交流 UPS。

我們認為，隨着 AI 迅猛發展和算力需求急劇增加，AI 數據中心供配電系統面臨 着效率和節地等指標進一步提升的迫切需求，數據中心供電技術將呈現出由交流 UPS 向 HVDC 發展的趨勢，未來 HVDC 在 AI 數據中心的滲透率有望持續提升。

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HVDC 市場空間與競爭格局如何？

我國 HVDC 應用從通信網絡開始，而后推廣至互聯網企業數據中心。2007 年起， 240V HVDC供電技術開始在我國通信網絡和數據中心得到廣泛實際應用，至今為止已經出臺了多項行業標準及國家標準。最初HVDC在傳統通信運營商（中 國電信、中國移動、中國聯通）的通信網絡中應用較多，主要是因為通信設備通常採用-48V直流供電，運營商也因此對直流電系統相對熟悉，因此 HVDC 技術得到了較為快速的應用。后期隨着通信運營商成功應用 HVDC 並取得效率提升的經驗，以 BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）為主的互聯網運營商在大規模建設數據中心時，對 HVDC 應用的需求也快速提升。

海外數據中心HVDC應用處於起步階段，未來有望逐步推廣。隨着AI數據中心功率需求提升，海外下一代AI數據中心有望採用±400V的HVDC供電方案。Vertiv擁有NetSure系列400V HVDC電源解決方案，其效率可以達到 96.5%及以上。

關於HVDC替代交流UPS后對服務器機架中AC-DC電源的影響：從現有的頭部服務器電源企業的 AC-DC 電源產品來看，大部分都支持 240V 直流輸入，因此我們認為，在當前我國數據中心 HVDC 供電系統輸出電壓以 240V 為主的情況下，HVDC 的應用對 AC-DC 服務器電源的應用規模影響微乎其微。展望未來，隨着HVDC 向更高電壓等級發展（如 300V 以上），現有的 AC-DC 服務器電源將難以兼容，這或將使得服務器電源由 AC-DC 向 DC-DC 進行發展。

數據中心 UPS 市場規模穩步提升，HVDC 仍有較大成長空間。根據Global Growth Insights，2023年全球數據中心 UPS 市場規模約為45.25億美元，並預計2024年和2032年將分別達到48.53億美元和85.02億美元，24-32年CAGR為7.26%。根據賽迪顧問，2023年中國UPS市場規模為97.7億元，同比增長6.7%，並預計2026年將達到127.3億元，23-26年CAGR為 9.22%。隨着 AI 快速發展，數據中心建設將持續加速，有望推動全球數據中心供電系統市場規模持續提升。當前在AI數據中心中，交流UPS仍是主要的供電方案，但HVDC應用也在逐漸加速；根據國企網援引的數據，在 2023 年運營商和互聯網交直流電 源應用的市場中，高壓直流佔總容量比例約 10%，但其 2021-2023 年的年均增長率為33%，呈現快速發展的趨勢。

我國UPS市場參與者較多，數據中心HVDC市場集中度較高。1）根據賽迪顧問，2023年我國UPS市場份額前三的企業分別為華為、科華數據和維諦，其市場份額合計超40%；科士達通過重點佈局高端中大功率UPS，在高密UPS方向實現較快發展。2）根據DCMap，2022年我國數據中心 HVDC 產品市場集中度較高，頭部三家企業中恆電氣、中達電通（臺達）、維諦的市場份額合計約90%，其他供應商則包括動力源等。

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投資建議

AI 數據中心供電系統呈現由交流 UPS 向 HVDC 發展的趨勢，相關企業有望充分受益。隨着 AI 產業快速發展，HVDC 在 AI 數據中心優勢凸顯，其滲透率有望持續提升。國內數據中心 HVDC 市場集中度較高，我們認為已有成熟 HVDC 產品的企業、以及擁有潛在 HVDC 產品開發能力的企業將迎來發展機遇。建議重點關注HVDC 產品經驗豐富的中恆電氣；具備成熟電力電子技術經驗的禾望電氣；擁有潛在 HVDC 產品開發能力的科華數據、科士達。

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風險分析

（1）AI技術發展不及預期風險：AI服務器電源需求高度依賴於AI技術的進步，若AI應用端落地不及預期，或高端AI芯片技術迭代與交付不及預期，將對AI服務器電源需求造成不利影響。

（2）競爭加劇風險：當前AI服務器電源競爭格局較為清晰，若未來隨着各服務器電源企業研發實力不斷提升、高端產品不斷推出，行業競爭或將加劇，這可能對產品盈利造成不利影響。

（3）海外市場經營風險：受各國政治、經濟、文化、法律、匯率、貿易保護及政府投資計劃等因素的影響，若海外市場環境發生較大變化，可能對相關公司的海外業務產生影響。