电力设备行业深度报告：高功率密度智算数据中心资本开支扩张，供配电系统迎来升级迭代

高功率密度数据中心资本开支扩张，供配电系统升级迭代利好产业链公司 AI浪潮拉动全球智算数据中心规模持续扩张与下游算力芯片升级迭代带来的单服务器与机柜功率密度扩大，使得本轮全球智算数据中心的资本开支呈现出明显的高功率密度特征。供配电系统作为数据中心中向IT负载与辅助设施保障稳定供电的关键设备，提高供电效率、降低其设备能耗水平实现降本增效是机柜功率密度持续提升下供配电系统升级迭代的重点方向。HVDC系统有望凭借其更高的供电效率和更好的可靠性提升其在国内和海外自建数据中心中的渗透率，带动产业链公司业绩弹性，推荐禾望电气、科华数据等，受益标的中恒电气、伊戈尔等。 同时，锂电池有望凭借其更好的充放电性能、更少的全生命周期成本实现对铅酸电池的替代，受益标的雄韬股份、南都电源。 全球高功率密度智算数据中心资本开支增加，供配电系统升级迭代方向明确根据SemiAnalysis统计预测，全球数据中心核心IT电力需求有望从2023年的49GW增长至2026年的96GW，年化复合增速达25.1%。同时，伴随算力芯片性能增强，其功耗持续增加并带动服务器与数据中心单机架功耗显著增长，全球数据中心平均单机架的功率密度有望从2017年的5.6kW/机架提升至2026年的20kW/机架。智算数据中心资本开支扩张呈现出明显的高功率密度及能耗增加特征。因此在数据中心能耗占比10%的供配电系统升级迭代方向主要为降低非IT负载的能耗水平，提升整体效率从而实现数据中心PUE的降低和经济性提升。 HVDC与备电锂电池均有望迎来渗透率向上的拐点 预计2025年全球HVDC系统出货有望达4.4GW，市场空间41.7亿元，到2030年HVDC系统出货有望达9.3GW，市场空间达105.6亿元。定制化的HVDC系统能提升整体效率并提高用电可靠性，有望在国内外市场实现渗透率的提升。国内市场方面，渗透率提升主要依靠此前已经采用HVDC方案的腾讯与阿里巴巴资本开支扩张，进一步提升的潜在因素为开始自建数据中心的字节跳动也使用该方案。海外市场方面，主要系英伟达产品迭代影响，其2028-2029年规划的Rubin Ultra系列峰值功率或将超过1MW，该机柜搭配高电压直流能带来潜在的性能提升和成本节约，终端向更高功率的迭代是海外HVDC渗透率提升的关键。 预计2025年全球数据中心锂电池出货有望达3.9GWh，市场空间达67.4亿元，到2030年全球数据中心锂电池出货有望达7.1GWh，市场空间将达107.5亿元。 渗透率提升一方面系机柜外搭配UPS/HVDC的备电锂电池充放电性能好、全生命周期成本更低、占地面积更小，有望取代铅酸电池。另一方面系英伟达GB 300采用BBU方案机柜内自带锂电池备电，该产品出货后同样能提升锂电池渗透率。 风险提示：全球数据中心资本开支不及预期；HVDC方案渗透率提升不及预期；数据中心锂电池渗透率提升不及预期；行业竞争加剧导致市场盈利能力下滑。 1、智算数据中心资本开支有望持续扩张 1.1、全球互联网资本开支进入新一轮上行周期 全球互联网资本开支加速扩张，数据中心建设规模有望持续扩大。AI浪潮驱动全球互联网企业资本开支持续扩张。北美互联网企业方面，2024Q3微软、Meta、亚马逊、谷歌合计实现资本开支588.6亿美元，环比增长11.4%，同比增长59.1%，资本开支呈现显著的逐季增长态势。同时根据各家的资本开支规划，2025年北美主要互联网与云计算企业的支出规模有望持续扩张。 在中国市场，下游AI应用的推广和国产算力硬件性能的提升同样带动了国内互联网企业的资本开支拐点向上。根据百度、阿里巴巴与腾讯的公告显示，2024Q3三家合计实现资本开支333亿元，环比增长56.8%，同比增长134%。此外包括字节跳动在内的国内其他互联网企业同样加大了资本开支，据AGI人工智能公众号消息，2024年字节跳动的资本开支预计达到了800亿元。 2024年国内互联网企业的资本开支增速迎来了向上拐点，并且在国产硬件推广与应用大规模推广的背景下，2025年国内算力资本开支增速仍有望保持较高水平。 图1：2023Q1-2024Q3间美国主要互联网企业资本开支持续扩张（单位：亿美元） 图2：2023Q1以来中国主要互联网企业资本开支持续增加（单位：亿元） 资本开支扩张带动全球数据中心规模持续扩大。根据SemiAnalysis统计预测，全球数据中心核心IT电力需求有望从2023年的49GW增长至2026年的96GW，年化复合增速达25.1%。并且就2023-2026年三年间新增的47GW功率需求中，智算数据中心规模有望达40GW，占比超85%。智算需求的提升推动了数据中心规模的大幅增长。 同时在中国市场，以标准机架规模计，预计2024年国内数据中心机架规模累计将达1000万架，累计量同比增长23.5%。预计2024年当年新增数据中心机架190万架，同比增长18.8%。并且2025年在国内算力资本开支持续加大的情况下，国内新增数据中心机架规模有望进一步扩大。 图3：全球数据中心核心IT设备电力需求持续增长 图4：2024年国内新增标准机架有望达1000万个 1.2、数据中心资本开支扩张带动配套设备需求放量 数据中心设备包括主设备与配套设备。建设数据中心所需的设备包括主设备与配套设备两类，其中主设备以IT算力设备和通信设备为主，配套设备则包括了供配电系统、散热制冷装备与管理系统。 配套设备多为数据中心基础设施建设的必备辅助装备，其中供配电相关设备的成本占比相对较高。以采用UPS与柴油发电机方案的传统数据中心为例，供配电设备包括了柴油发电机、电力用户站、UPS与配电柜，其成本占比分别为23%、20%、18%与8%，合计占数据中心基础设施的比重达到了69%。因此全球数据中心规模扩张有望拉动相应设备的销售。 图5：数据中心硬件包括主设备与配套设备 图6：数据中心基础设备包括柴油发电机组、电力用户站等 数据中心供配电系统目的在于实现市电对IT负载的供电并在市电断电时提供紧急备电功能。以传统UPS方案为例，电流传输路径主要为10kV高压供电经过变压器降低为380V/220V的交流市电，380V/220V在经过低压配电柜分配给下游用电单位包括机房、温控设备、照明设备等等，还要将配电后的380V/220V市电接入UPS设备，该设备和直流蓄电池配套使用，负责市电故障后持续给机房数据中心提供一定时间的电能保障。 经过UPS的380V/220V交流电被引入IT机房接入整机柜的PDU。最后，服务器从机柜的PDU取380V/220V交流电接入机箱内置的PSU并将其降压转换为48V/12V的直流电，最终通过主板上的DC-DC电源模块降压至5V、3.3V、1V等低压给负载芯片供电。 图7：数据中心供配电设备目的在于实现市电对终端设备的供电 图8：传统数据中心采用12V母线电压 图9：新一代母线电压提升至48V 图10：终端用电负载包括3.3V、1V、0.8V等 2、机柜高功率密度趋势下带动供配电系统升级迭代 2.1、终端机柜功率密度提升导致数据中心能耗变高 智算中心GPU芯片算力提升带动其功耗提升。以英伟达算力芯片为例，其目前H100/H200/H800等芯片TDP设计功耗已达700W，于2024年3月发布的B200功耗达到了1000W，GB200的功耗甚至达到了2700W。算力的快速提升带动其功率快速增长。 同时，AI服务器通常由8卡GPU组合或NPU模组构成，单台服务器的功耗在5-10kW之间，将其进一步组成整机机柜时，机柜密度可以达到40kW以上。同样以英伟达服务器为例，其DGX架构8卡GPU H100服务器额定功耗为10.2kW，安装4台服务器的风冷机柜功耗为42kW。而在24年3月公布的GB200架构中，NVL36机柜功率密度为72kW，NVL72液冷机柜功率密度则高达120kW。 图11：新一代GPU芯片功耗显著增加 图12：新服务器功耗持续增加 智算数据中心占比显著提高了全球机柜的平均功率密度。根据EY-Parthenon Analysis和Data CenterDynamic的预测，全球数据中心平均单机架的功率密度已经从2017年的5.6kW/机架提升至2023年的12.8kW/机架。同时伴随超算、智算数据中心占比的提升，全球高功率机架的出货占比有望进一步提升。 IT负载的大功率化带来的数据中心机柜高密度化趋势使得相关数据中心的能源消耗持续增加。 图13：预计全球机架功率密度将呈现逐年提升态势 2.2、数据中心能耗控制核心在于降低PUE 数据中心OPEX成本以电力为主。以国内数据中心为例，其运营成本占比前三的分别为电力、折旧与房租，其占比分别为56.7%、25.6%与7.7%。而在数据中心当中产生能耗的除数据中心机柜等IT核心负载外，还包括制冷系统、供配电系统与照明设备等，根据通信电源人公众号数据，其比重分别为50%、35%、10%与5%。因此在数据中心总能耗因为核心负载功率提升的情况下，降低供配电、制冷系统的能耗是提升数据中心能源应用效率的关键。 图14：电力成本在国内数据中心运营成本的比重为56.7% 图15：典型数据中心能耗由IT设备、制冷系统、供配电系统等产生 政策同样对数据中心能效水平提出了强制要求。PUE（数据中心总设备能耗和IT设备能耗之间的比率，越靠近1代表能效水平越高）是数据中心关键能效考核指标之一，目前在国内多省市及德国等海外国家均对数据中心的PUE提出了一定要求。 因此无论从满足政策PUE要求还是提升经济性的角度，对供配电系统等在内的基础设备进行技术迭代升级都是数据中心高功率密度趋势下的必然选择。 表1：国内各地与德国均对数据中心PUE提出了一定要求 2.3、HVDC系统：内外需共振，渗透率已至提升拐点 HVDC系统具备效率高、供电可靠性强等多重优势。高压直流系统（HVDC）主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。其主要作用同UPS相同，在市电工作时，整流模块将交流配电单元输出的380V交流电转换成240V/336V高压直流（240V为国内电信标准输出额定电压、336V为国内移动标准输出电压），高压直流经直流配电单元给IT设备供电，同时也给蓄电池充电。在市电异常时，由蓄电池给IT设备提供紧急备电功能。对比HVDC与UPS的供电结构可以看出：（1）HVDC系统相较传统UPS取消两级变换，整体效率更高，传统UPS方案效率为94.7%，HVDC为95.2%；（2）系统的备用电池作为电源直接并联在输出母线上，当市电断电时可以直接提供紧急备电功能；（3）系统拓扑结构更加简单，可靠性更高。不过其输出电压的非通用性导致其应用场景相对定制化，因此较多集中在互联网与通信运营商自建数据中心中。 此外，“巴拿马电源”属于泛HVDC系统，该电源柔性集成了10kV的配电，隔离变压，模块化整流器和输出配电等环节，采用移相变压器取代工频变压器，并从10kVDC到240VDC整个供电链路做到了优化集成。进一步提升了供配电系统的效率、可靠性同时维护更加简单。根据台达公众号信息，巴拿马电源方案效率可达97.5%，相比传统HVDC实现进一步提升。 图16：HVDC通过减少二级变换提升效率 图17：泛HVDC方案系统效率更高 应用定制化的HVDC方案相比UPS能够实现CAPEX和OPEX双双降低。根据腾讯数据中心公众号对比“1+1系统”400kVA UPS与1台市电直供+1台1200A 240V高压直流系统方案的占地面积与成本，可以看出UPS占地面积可等效为16.5面柜子，CAPEX在不含滤波的情况下为154万元、每年浪费28.04万元电费。同时高压直流系统占地面积为10.5面柜子、CAPEX为100万元，每年浪费8.41万元电费。高压直流方案在占地面积、初始投资成本与运营成本等多方面具备明显优势。 表2：HVDC系统相比UPS能够节省CAPEX与O