报告标题：《AI 数据中心电源：HVDC 还是 UPS？——电力 AI 系列报告二》
报告发布日期：2025年2月21日
分析师：
殷中枢（执业证书编号：S0930518040004）
郝骞（执业证书编号：S0930520050001）
和霖（执业证书编号：S0930523070006）
联系人：邓怡亮
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
2024年全球AI投资规模维持高速增长，其数据中心的高耗能属性也给全球范围内的电力供需形势带来了深远变化。市场较为关心数据中心用电量快速增长对全球能源供应体系的影响、以及全球重点能源公司在过去两年AI浪潮中的股价表现，本篇报告就上述问题进行了详细解答。
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。
目录
正文
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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，将成为连接数据中心与绿色电力之间的桥梁。随着AI服务器的迅猛发展和双碳战略的稳步实施，超大规模数据中心对于新能源和储能等设备的吸纳和融合将越来越深入和密切，未来电能路由器在数据中心的应用比例有望逐步得到提升。
从各类数据中心供电架构的优劣势来看：
1）交流 UPS 供电架构：①优点：输出的电能品质高；无转换时间。②缺点：供 电效率较低，电能损失严重；结构复杂，维护困难；供电可靠性较差。
2）高压直流供电架构：①优点：节能；供电可靠性高；无“零地”电压问题； 有利于新能源的接入。②缺点：对配电开关灭弧性能要求高；换流设备成本较高。
3）巴拿马电源系统：①优点：供电架构极简，电能转换效率高；占地面积少， 节省投资；可靠性高。②缺点：变压器需要定制，设备成本较传统变压器高；应 用案例较少，技术成熟度待时间验证；对于小型数据中心或现有数据中心供电系 统改造，巴拿马电源方案限制条件较多，如无法替换在网运行的部分不间断电源。
为什么要用 HVDC 替代交流 UPS？
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。 HVDC 相较于交流 UPS，具有结构相对简单且可靠性高、占地面积小、投资成本低、运营成本低等优势。HVDC 有望逐步替代传统的 UPS 供电系统，成为数据中心未来的供电新模式，除此之外，算力需求快速增长推动 AI 数据中心用电需求持续提升，也进一步推动了 HVDC 渗透率的提升。
1）HVDC 能够输出更高电压等级，以满足 AI 数据中心快速增长的功率需求。
在 AI 快速发展的时代背景下，AI 数据中心算力需求持续提升，英伟达的 AI 芯片 功率也从A100的400W提升至B200的1000W及以上，服务器功率密度得到显著增加。为了满足服务器快速增长的功率需求，这就要求数据中心供电系统的电压输出向高等级发展。
目前普遍采用的 HVDC 供电系统输出电压为240V和336V，其中240V占绝大 部分，主要原因是数据中心240V HVDC能够兼容原来使用交流220V供电的IT设备，为其提供不间断供电。未来随着 HVDC 供电系统向更高电压等级发展，AI数据中心将能够实现更高的功率密度。
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。
在交流 UPS 系统中，交流市电需经过 AC/DC 整流环节和 DC/AC 逆变环节，再 转换成需要的交流电；而 HVDC 供电系统省去了逆变环节，交流市电只需经过 AC/DC 整流成直流电，直接为负载设备提供电能，更少的电能变换次数有利于降低电能损耗。此外，交流 UPS 系统的结构相对复杂，工频整流部分、逆变部分、静态开关部分，其中一个模块发生故障都会导致整个系统不可用，因此交流 UPS 系统的可靠性低于 HVDC 系统。
3）HVDC 系统在占地面积、建设成本、运营成本上均优于交流 UPS。
以建设一个 100kW 的供电系统为例，通过对比一套传统 120kVA（1+1）冗余交流 UPS 供电系统和一套 100KW 高压直流供电系统的效益，可以测算得到：在100kW 供电系统中，HVDC 比交流 UPS 节约面积 28.44%、节约建设成本49.09%、节约运营成本 13.95%。HVDC 系统在占地面积、建设成本、运营成本等方面的效益上均优于交流 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，数据中心供电技术将呈现出由交流 UPS 向 HVDC 发展的趋势，未来 HVDC 在 AI 数据中心的渗透率有望持续提升。
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HVDC 市场空间与竞争格局如何？
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。2007 年起， 240V HVDC供电技术开始在我国通信网络和数据中心得到广泛实际应用，至今为止已经出台了多项行业标准及国家标准。最初HVDC在传统通信运营商（中 国电信、中国移动、中国联通）的通信网络中应用较多，主要是因为通信设备通常采用-48V直流供电，运营商也因此对直流电系统相对熟悉，因此 HVDC 技术得到了较为快速的应用。后期随着通信运营商成功应用 HVDC 并取得效率提升的经验，以 BAT（百度、阿里巴巴、腾讯）为主的互联网运营商在大规模建设数据中心时，对 HVDC 应用的需求也快速提升。
海外数据中心HVDC应用处于起步阶段，未来有望逐步推广。随着AI数据中心功率需求提升，海外下一代AI数据中心有望采用±400V的HVDC供电方案。Vertiv拥有NetSure系列400V HVDC电源解决方案，其效率可以达到 96.5%及以上。
关于HVDC替代交流UPS后对服务器机架中AC-DC电源的影响：从现有的头部服务器电源企业的 AC-DC 电源产品来看，大部分都支持 240V 直流输入，因此我们认为，在当前我国数据中心 HVDC 供电系统输出电压以 240V 为主的情况下，HVDC 的应用对 AC-DC 服务器电源的应用规模影响微乎其微。展望未来，随着HVDC 向更高电压等级发展（如 300V 以上），现有的 AC-DC 服务器电源将难以兼容，这或将使得服务器电源由 AC-DC 向 DC-DC 进行发展。
数据中心 UPS 市场规模稳步提升，HVDC 仍有较大成长空间。根据Global Growth Insights，2023年全球数据中心 UPS 市场规模约为45.25亿美元，并预计2024年和2032年将分别达到48.53亿美元和85.02亿美元，24-32年CAGR为7.26%。根据赛迪顾问，2023年中国UPS市场规模为97.7亿元，同比增长6.7%，并预计2026年将达到127.3亿元，23-26年CAGR为 9.22%。随着 AI 快速发展，数据中心建设将持续加速，有望推动全球数据中心供电系统市场规模持续提升。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。
我国UPS市场参与者较多，数据中心HVDC市场集中度较高。1）根据赛迪顾问，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%；科士达通过重点布局高端中大功率UPS，在高密UPS方向实现较快发展。2）根据DCMap，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。
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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。
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风险分析
（1）AI技术发展不及预期风险：AI服务器电源需求高度依赖于AI技术的进步，若AI应用端落地不及预期，或高端AI芯片技术迭代与交付不及预期，将对AI服务器电源需求造成不利影响。
（2）竞争加剧风险：当前AI服务器电源竞争格局较为清晰，若未来随着各服务器电源企业研发实力不断提升、高端产品不断推出，行业竞争或将加剧，这可能对产品盈利造成不利影响。
（3）海外市场经营风险：受各国政治、经济、文化、法律、汇率、贸易保护及政府投资计划等因素的影响，若海外市场环境发生较大变化，可能对相关公司的海外业务产生影响。
