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供电电源:AIDC加速向直流化、高压及高密方向演进
数据中心供电技术路线的演变
供电技术进化的底层逻辑:1)从提高用电效率、降低铜耗和降低Capex的角度,国内阿里携手中恒和台达推广240/336V的HVDC系统(直流化);2)随着AI算力需求的增长和高性能GPU的部署,IT负荷功率大幅提升,同时AIDC存在物理空间有限+系统散热问题,迫使供配电功率密度大幅提升,供电系统向800V/±400V 高压直流系统发展;3)远期AIDC向GW级发展,进一步提高供电效率+绿电高效接入+提高建设效率+供电与算力分开,SST(固态变压器)等集成供电架构有望成为主流。
数据中心供配电架构
【变压器】二级交流降压 →【电源】三级直流降压,电压降至片上0.8V
变压器二级:【第一级】主变(110kV→10kV) ;【第二级】配变(10kV→400V)。
电源三级:【第一级】由机房的UPS或HVDC稳压or整流。【第二级】由机柜的PSU上AC-DC服务器电源降压至48V/50V直流电。【第三级】DC-DC电源模块把48V/50V降为12V,再降到0.8-1V可供GPU使用。
当前发展趋势:减少整流环节,降低损耗,直流供电系统渗透率提升(国内快于海外,生态体系更完善)。
第一代供电系统【UPS】
拓扑结构及发展方向:UPS主要为整流器+逆变器两部分,中间直流母线挂在备电电池。当前UPS功率器件以IGBT为主,单设备最高效率约95%,AIDC对能耗要求逐渐提高,头部公司采用SiC器件作为主功率器件,最高效率可提升至97.5%,但仍存在两级变换,因此效率提升已经到瓶颈。
UPS方案仍是主流。国内UPS渗透率约为85-90%,海外超95%,由于当前数据中心装机规模大部分在几MW到十几MW区间功率密度需求较低,UPS方案仍占主导地位,且配套设备产品生态更完善。
问题:效率存在瓶颈;变换环节多故障概率大;大容量与小体积之间存在矛盾。
第二代供电系统【240/336V HVDC】
HVDC的发展底层逻辑:相比于UPS,1)减少变换环节提高系统效率;2)模块化结构,可靠性更高;3)更低的CAPEX和OPEX。HVDC20世纪90年代在海外提出,国内率先推广落地,产品生态和应用经验更丰富。
当前进展:国内阿里巴巴牵头中恒电气和台达开发了集成化HVDC-巴拿马电源,并率先在自有数据中心应用;科华数据、盛弘纷纷开始布局HVDC产品,国内CSP腾讯、字节均开始陆续采购HVDC系统,以提升AIDC的用能效率,国内渗透率加速提升。
技术与直流充电桩同源,客户资源是核心壁垒。HVDC拓扑结构成熟,基本为PFC+LLC谐振电路为主,整流模块并联成柜,本质上与直流充电桩技术同源,我们认为市场能力+客户关系将成为HVDC行业的胜负手。
存在问题:直流端电压240v/336v仍较低,功率密度存在瓶颈,配套仍不完善。
第三代供电系统【800V/±400V HVDC】
800V/±400V HVDC进化底层逻辑:800V/±400V HVDC架构分别由英伟达谷歌提出,IT单机柜由30kw-120kw-MW级方向升级,从降低损耗、节约供配电设施面积、减少铜耗角度,提高电源输出电压至800V或±400V,能够在相同导体尺寸下多传输85%的功率,满足下一代AIDC发展的需求。
优势:1)可扩展性强,无缝扩展100kW-1MW以上功率的机架;2)效率更高;3)用铜量减少,无交流的集肤效应,电流更小,热损耗小;4)可靠性更高。
劣势:1)800V服务器电源等配套设备生态不完善,2)缺少运维管理经验,3)可靠性待验证,4)小功率场景(城市型数据中心)系统优势不明显。
第三代供电系统【800V/±400V HVDC】
海外进展:1)维谛技术计划于26H2推出800VDC电源产品,禾望&良信有望成为其800V产品链合作伙伴;2)谷歌在OCP2024大会上提出适配未来AIDC的±400V供电架构;3)台达在2025 COMPUTEX上展出了800V高压直流架构,并推出了高压直流机架式电源(20U 180kW级10U 72kW AC/DC,输出800V直流,效率高达98%)、机架式超级电容模组、e-Fuse模组(直流快速保护)等全系列产品。
技术难度:与国内240/336V HVDC相比,技术原理一致,通过调节DC/DC模组中高频变匝数比即可实现,随着IT机柜功率需求提高,国内厂商HVDC产品有望实现快速迭代。
第四代供电系统【固态变压器SST】
迭代的驱动因素:数据中心从MW向GW级发展,对建设周期、绿电柔性接入、减少供电设备占地面积等有更高的要求。SST是未来GW级绿色AIDC的电源解决方案,大容量半导体器件的大幅降本也也是其大规模应用的重要因素之一。
设备结构:前级AC/DC整流桥+后级DC/DC(LLC谐振结构,通过高频变实现变压),目前量产机组功率器件采用IGBT或全SiC,整机运行效率超98%。
第四代供电系统【固态变压器SST】
产业进展:国内SST落地应用较早,23年中国西电SST首次应用在“东数西算”项目中,西安为光能源(白云电气集团控股)首次将量产版SST应用于江苏苏州昆山直流充电站,除此之外,四方股份国电南瑞等在SST方面均有示范应用和产品储备。目前硅基量产SST的效率最高可达98.5%,使用SiC器件能够进一步降低开关损耗,提高效率,实现更高的功率密度。
未来的趋势:当前硅基SST的价格约1元/W,已接近UPS和HVDC方案(变压器+设备约0.8元/W),且功能性更强、部署周期更短。随着产品稳定性提升+绿电接入成为刚需+功率器件降本,SST有望成为AIDC最主要的供电架构。
市场空间测算:
核心假设:UPS/HVDC供电采用2N冗余设计,PUE随电能利用效率提升呈下降趋势,当前HVDC价格假设比UPS略高,HVDC渗透率稳步上升,2027年海外800V HVDC跟随Rubin放量,HVDC价值量提升至1.5元/W,后续随着出货量增大单价年降
市场规模测算:到2030年UPS+HVDC市场空间有望达到996亿元,24-30年CAGR约50%。其中HVDC市场规模达到931亿元,成为未来配电电源的主流形式。
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