AIDC系列（二）：电能质量———数据中心的必备“维生素”

民生电新邓永康/许浚哲 核心要点 •数据中心对供电稳定性的要求极为严苛。数据中心电能质量问题可能导致停机、数据损坏、硬件故障以及维护成本增加，造成业主损失。常见的电能质量症结有无功功率、谐波、三相不平衡。 •APF、SVG是电能治理的关键设备。APF（有源谐波滤波器）：主要针对用电系统中的谐波、无功功率，以及三相不平衡问题做治理，实时检测电网中的谐波，通过变流器产生反相补偿电流，动态滤除电网中的谐波。SVG（静止无功发生器）：是无功补偿技术代表，实时动态补偿，可以补偿感性无功功率和无功功率的容差，并且不会发生过充、欠充，可以稳定系统电压。数据中心常规的电能质量解决方案是有源电力滤波器APF和静止无功发生器SVG的组合使用。 •25年全球数据中心电能质量市场空间预计为60亿元。测算条件：1、考虑1.3的PUE；2、假设2N供电架构，变压器负载率为50%；3、假设电能治理配比为变压器容量的30%；4、假设电能质量设备全球均价为500元/kw。结论：24/25/26年全球电能质量市场空间达到48/60/76亿元。 •国内竞争格局目前是内资主导。数据中心对用电质量较其他行业更为严苛，对低压电能质量产品的性能安全稳定要求更高，用户更多从产品品质、可靠性、性价比等方面对低压电能质量产品进行选择。第一梯队是盛弘股份、艾临科、台达、英博电气，第二梯队是ABB、西安爱科赛博、诺企、库柏、埃特罗斯等企业。技术方向上，进阶的SiC基低压电能质量产品性能更优，未来基于SiC基功率器件的SVG和APF可能会来开企业之间的差距。 •长远来看，数据中心影响电网也需要更多的电能治理。1）数据中心的大规模建设给电网带来压力，海外尤其明显；2）未来多种新能源接入数据中心也会将谐波和无功带入电网系统；3）数据中心能效规范推动，带来的改造需求也将拉动电能质量设备用量。 •投资建议：数据中心下游CAPEX起量，电能质量细分下游有望迎来高速增长，建议关注涉及相关电能质量领域的优质电力电子公司。 •相关标的梳理：盛弘股份、爱科赛博、上能电气 •风险提示：下游资本开支不及预期、行业竞争加剧风险、技术替代风险。 数据中心用电治理的必要性 01 APF、SVG是电能治理的关键设备 02 数据中心电能质量的市场空间&竞争格局 03 04 相关标的：盛弘股份、爱科赛博、上能电气 05 数据中心用电治理的必要性01. 数据中心电能质量症结：无功功率、谐波、三相不平衡1.1 •数据中心对供电稳定性的要求极为严苛。配电系统作为数据中心的心脏和大动脉，时刻承载着保障业务安全稳定运行的使命，而配电系统的安全、高效、节能与电能质量的好坏有极大的关系。根据Uptime Institute，电能质量问题约占数据中心所有停机事故原因的33%。此外，电能质量问题还可能导致数据损坏、硬件故障以及维护成本增加。随着数据中心对可再生能源的依赖增加，电能质量治理成为保障新能源稳定接入的关键，绿电必须进行精准的无功和谐波处理。 •目前影响数据中心电能质量的因素主要包括三个方面：无功功率、谐波、三相不平衡。 三相不平衡 由于数据中心低压配电网中，除了有三相负载，也存在大量的单相负载，因此会产生三相不平衡，不平衡负载长期运行会增大线路及变压器的损耗、严重影响电力设备的安全稳定运行。 无功功率 数据中心存在大量的容性负载和感性负载，空调、高频UPS和HVDC等均为容性设备，运行时发出容性无功功率返送给高压系统，增加线路损耗，当备用电源启用，容性无功还可能造成油机内部电抗产生电压谐振潜在风险，出现过电压，降低励磁电势，使发电机运行不稳定，容易导致并机崩溃。 谐波 数据中心存在大量的整流、逆变等非线性负载，负载由于采用变频节能技术，运行时均会产生谐波，谐波不仅污染电源网络，设备自身也会受污染。 主要问题一：谐波的治理1.2 •以谐波为例，谐波是指频率为基波频率整数倍的一种正弦波。在数据中心供配电网络中，由于许多非线性电气设备的投入运行，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。数据中心机房的谐波源主要包括UPS电源、开关电源、空调系统设备、照明等等非线性负载。尽管单台设备的容量小，谐波电流不大，但对于设备群体而言，谐波电流及其危害不容忽视。 •谐波危害：（1）设备运行受损：谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。（2）数据安全与通信受扰：谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。 1.3主要问题二：功率因数过低的挑战 •电气设备的运行既需要有功功率还需要无功功率。有功功率（kW）指真正用于做功的能量，无功功率（kvar）是电力系统中用于建立电磁场的“支撑能量”，本身不损耗，但会在电网中往复流动。如果无功功率不足，用电设备就不能建立正常的电磁场，电气设备的运转就会受到影响。且无功功率会占用电网容量，导致线路损耗增加、电压不稳定、设备效率下降。所以需要进行无功补偿。目前数据中心机房中大量使用变频器、UPS、开关电源、LED、服务器等呈容性或感性特征的非线性负载，产生无功。 •无功补偿，就是就地平衡这部分能量，减少电网负担。其作用原理即把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿。 APF、SVG是电能治理的关键设备02. 2.1常见电能质量产品介绍 •1、有源电力滤波器（APF）：主动消除配电系统中的谐波电流。 •2、静止无功发生器（SVG）：可动态、连续、快速的提供无功电流，抵消系统存在的无功，提高系统功率因数。 •3、综合滤波补偿器：同时具备有源无功补偿和谐波治理的综合产品，可多模块并联使用。 •4、动态电压治理设备（DVR）：用于治理电压质量的产品，可快速调整电压，保护用电设备免受电压暂降和暂升造成停机及损坏风险。可选择附带储能功能，满足不同客户需求。 APF+SVG构筑电能质量防线2.2 •数据中心常规的电能质量解决方案是有源电力滤波器APF和静止无功发生器SVG的组合使用。 •APF（有源谐波滤波器）：主要针对用电系统中的谐波、无功功率，以及三相不平衡问题做治理，实时检测电网中的谐波，通过变流器产生反相补偿电流，动态滤除电网中的谐波。 •SVG（静止无功发生器）：是无功补偿技术代表，实时动态补偿，可以补偿感性无功功率和无功功率的容差，并且不会发生过充、欠充，可以稳定系统电压。 •作用原理：两种设备本质上都是电压源型并网逆变器，逆变器输出可以看作是一个与380 V母线并联的可控电压源，通过调节逆变器输出电压的幅值、相位及频率，产生需要补偿的无功电流和谐波电流注入到低压母线，抵消负载的无功和谐波。由于输出电压可以连续变化，因此输出电流幅值、相位也连续变化，且电流频率随电压变化、叠加，即连续补偿容性、感性无功以及谐波。 常见电能质量设备在数据中心场景的摆放位置 数据中心电能质量的市场空间&竞争格局03. 电能质量市场空间广阔，头部市占率有望提升3.1 •整体电能质量设备市场规模预计超千亿。电能质量问题在电力部门和电力用户两侧得到越来越多的关注和重视，催生了电能质量设备市场的需求。根据智研究咨询的统计数据，2023年，我国电能质量治理市场达到1600亿元，其中电能质量治理设备是主要细分领域，2023年市场规模约1200亿元。 •国内电能质量设备企业数量众多，形成差异化竞争格局。根据《中国电能质量设备行业市场调研及“十四五”发展趋势研究报告》统计，目前能生产销售高压SVG的厂家国内共100余家，能生产销售低压SVG和APF的厂家国内共70-100家，能生产电容补偿装置的厂家国内超过1000家，具备自主研发、对电能质量全系列产品能够更新换代的厂家国内约20家。 电能质量市场—数据中心细分下游25年全球市场空间60亿3.2 •全球AI需求高增背景下，数据中心建设需求增长，数据中心低压电能质量市场借风启航。根据Semianalysis的预测，全球数据中心IT电力需求将从2023年的约49GW增长至2026年的96GW，其中90%的增长来自AI相关需求，数据中心机架数量、装机功率不断扩大，带动低压电能质量的市场规模快速上升。 •25年全球数据中心电能质量市场空间预计为60亿元。测算条件假设：1、考虑1.3的PUE；2、假设2N供电架构，变压器负载率为50%；3、假设电能治理配比为变压器容量的30%；4、假设电能质量设备全球均价为500元/kw。结论：24/25/26年全球电能质量市场空间达到48/60/76亿元。图表：全球数据中心电能质量设备市场空间测算（亿元） 电能质量市场—数据中心细分下游竞争格局3.3 •国内竞争格局目前是内资主导。数据中心对用电质量较其他行业更为严苛，对低压电能质量产品的性能安全稳定要求更高，用户更多从产品品质、可靠性、性价比等方面对低压电能质量产品进行选择。盛弘股份、艾临科、台达、英博电气等第一梯队国产厂商更加容易得到客户青睐，常见于三大运营商、互联网IDC等数据中心用户的供应商短名单，在项目上有较多应用。第二梯队在外资数据中心、Colo、区域数据中心有较多应用，第三梯队主要在区域数据中心较为活跃。 第一梯队：盛弘股份、艾临科、台达、英博电气等国产厂商更加容易得到客户青睐，常见于三大运营商、互联网IDC等数据中心用户的供应商短名单，在项目上有较多应用；在数据中心出海的项目上，盛弘股份密集参与数据中心的出海项目，其产品在中国企业的海外数据中心得到广泛应用。 第二梯队：ABB、西安爱科赛博、诺企、库柏、埃特罗斯等在外资数据中心、Colo、区域数据中心有较多应用。 第三梯队：欧高电气、山大华天、广州阿珂法、爱博精电、斯菲尔等厂商主要在区域数据中心较为活跃。 技术升级趋势—SiC基底3.4 •进阶的SiC基低压电能质量产品性能更优。SiC属于第三代半导体材料，相对于第一代半导体Si材料在耐高温、高压、开关频率方面具有更优异的特性，由SiC材料制成的低压电能质量产品也会延续材料的优异特性。数据中心绿电依赖提升背景下，新能源发出的电具有严重且波动明显的无功和谐波，新解决方案：基于SiC基功率器件的SVG和APF，对比传统方案的基于Si基电能质量产品，有更高的开关频率（响应更快）、更高的补偿率（处理效果更好），能够对绿电的电能质量问题及时响应和处理，同时有更高的整机效率（效率达到99%，高于Si基产品2%以上），也能帮助业主节省电费支出，为提高数据中心的PUE（电能利用率）做出贡献。 •新解决方案在数据中心的渗透率提升。SiC基APF和SVG产品因为占地空间小、整机效率高、更高的开关频率等优点，与数据中心行业有较大的契合度，数据中心行业用户对SiC基低压电能质量产品接受度开始提高，SiC基低压电能质量产品市场渗透率快速提升。 3.5长远来看，数据中心相关场景仍需要更多的电能治理 •数据中心的大规模建设给电网带来压力，海外尤其明显。根据彭博社对美国数据中心的研究，AI数据中心成倍增加，消耗大量电力，建设速度远超电网规划速度，导致电力供应紧张，数据中心多集中在大城市附近也给本已脆弱的城市电网增添压力，在重要数据中心附近出现严重电力失真，不良谐波可能造成总计数十亿美元的损失。 •未来多种新能源接入数据中心也会将谐波和无功带入电网系统。据中国算力平台统计测算，2023年中国数据中心耗电量约为1500亿千瓦时，占全社会用电量的1.6%，中国算力市场规模平均增速达到30%，数据中心耗电量年增速为15%，数据中心作为一个典型的吃电大户，推动其使用绿色电力，改