AIDC系列（四）：柴发机组：供需错配下的高景气赛道

——供需错配下的高景气赛道 民生电新邓永康/李佳/赵丹/许浚哲 核心要点 •智算需求已进入高速增长阶段，驱动数据中心柴发需求提升。在需求推动下，中国智算中心市场投资规模高速增长，中国智算中心（AIDC）产业发展白皮书（2024年）显示，国内智算中心未来5年迎来发展窗口期，国内智算中心产业目前处于高速增长期，未来3年全国在建及拟建智算中心资源规模至少为截止2023年底投产规模的五倍，增量算力规模约770EFLOPS ((FP16)，折合市场投资超5000亿元。若以柴发机组在数据中心中的成本占比10%进行测算，未来三年数据中心柴发需求超500亿元。 •数据中心柴发机组要求较高，需求高增下面临供需错配。数据中心其负载大多是IT负载，其所选用的柴油发电机组应该达到G3级或G4级规定的要求，发动机功率基本上在1000KW到3000KW之间。目前国内发电机组第一梯队仍为外资巨头，第二梯队内资品牌企业主要生产中高端产品，用作备用电源和移动电源，大部分为非标准的行业专用产品，技术含量和附加值较高。部分内资企业已具备中高端市场供应能力，在数据中心机组招标中已实现0-1突破。 •数据中心柴发机组投资建议 1、发电机组：供需错配，需求高增长，建议关注具备资源、技术优势的优质内资【潍柴重机】【泰豪科技】【科泰电源】【苏美达】【华丰股份】等。 2、发动机：发电机组核心部件，一线外资技术实力突出，建议关注具备合资产能及自身已开始实现数据中心中标突破的内资厂商【潍柴动力】【动力新科】等。 3、发动机组其他部件：均有望受益于本轮数据中心建设所带来的需求增长，建议关注细分板块优质厂商：发电机【神驰机电】、缸体&缸盖【长源东谷】、曲轴&连杆【天润工业】、燃油燃喷系统【威孚高科】等。 •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。 数据中心供电架构 01 数据中心电源发展趋势 02 数据中心柴发行业现状 03 04 数据中心供电架构01. 数据中心供配电系统 •数据中心供配电系统：为机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠的支撑。一般来说，A级数据中心采用双路电源供电，10kv市电进线到数据中心服务器的末端，常见的两路供电同时处于热备份状态，一路断电时另一路会支持关键负载持续供电。从上游到下游包括中压柜、变压器、低压配电柜，配电柜进线进到UPS，通过整流再给到PDU做最终分配，分配给各个服务器。 数据中心供配电架构 •A级数据中心供配电系统主要有3种架构：2N、DR、RR。 •2N系统：2个供配电单元同时工作，互为备用，每个单元均能满足全部负载的用电需要。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。可克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，增强供电系统可靠性。 •DR系统：分布冗余。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，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。 •RR系统：后备冗余。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。 数据中心主要供电设备 •两路市电：每一路市电供电容量满足数据中心全部电力需求，两路电源负荷设备输入端自动切换，正常时同时供电，各承担50%负载。 •柴油发电机：独立于正常电源，当正常电源发生故障时，作为备用电源承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。 •UPS：挂载的蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路为重要服务器负载持续供电，保证数据中心不断电，同时能净化电网。 •其他系统：变压器（市电6kV/10kV/35kV(3相)转换成380V/400V(3相)，供后级低压设备用电）、断路器（接通、承载以及分断正常电路条件下的电流）、空调（制冷降温，将热量从室内微运到室外），以及保障数据中心的正常运转、安全管理及高效运营的其他系统，包括照明系统、消防系统、网络设备系统、监控系统等。 数据中心电源发展趋势02 算力需求带动GPU计算能力提升 •全球算力需求激增。国内方面，中国工业和信息化部等六部门联合印发的《算力基础设施高质量发展行动计划》提出，2025年中国算力规模应超过300 EFLOPS，其中智算规模超过35%。海外方面，根据华为GIV预测，2030年全球每年产生的数据总量达1YB（尧字节，数据存储容量单位），进入YB时代，全球智算规模将超过864 ZFLOPS（每秒10²¹次浮点运算）。 •GPU是AI算力的核心支柱之一。相比CPU算力增速的逐渐放缓，GPU算力在十年内实现千倍增长，并保持高速递进。据IDC预计，2025年GPU将占据AI芯片市场80%市场份额。算力激增对GPU计算能力提出更高要求。 •英伟达GPU更新换代，计算力不断升级。GB200计算性能大幅提升，相比H100算力提升6X，推理性能提升30X，大规模语言模型训练速度提升4X，相比CPU关键数据库查询处理速度提升18X，芯片内部晶体管数量增加，GPU芯片功耗的显著提升。 全球AIDC建设浪潮来袭 •全球AI市场规模扩增，未来几年将成为万亿美元市场。根据Precedence Research数据，2023年全球AI市场规模为5381.3亿美元，2024年全球AI市场规模预计为6382.3亿美元，2024年至2034年将持续大幅扩增，CAGR达19.1%。北美区域占据了最大的市场份额，23年占比达到全球的37%。未来除了北美区域以外，预计亚太地区将成为预测期内增长最快的人工智能市场。 •海外数据中心投资大幅抬升，北美是全球最大的数据中心市场。2024年第三季度，北美四大厂商资本开支持续增长，微软Q3资本支出达200亿美元，同比增长78%，公司预计2025年投资约800亿美元用于数据中心开发；谷歌Q3资本支出为131亿美元，同比增长62%，最大支出为技术基础设施，其中第一是服务器，第二是数据中心；亚马逊Q3资本支出为226.2亿美元，同比增长81%，公司财报电话会议中预计2024全年资本支出达到750亿美元，资本支出主要集中在扩展数据中心网络，促进AWS（云计算业务）和Gen AI（生成式人工智能）；MetaQ3资本支出为92亿美元，同比增长36%，主要为服务器、数据中心和网络基础设施的投资，全年预估为380-400亿美元，2025年预估大幅增长。 •海外资本开支持续加速。2025年1月21日，美国总统宣布由OpenAI、日本软银集团、Oracle组成的联合企业“星际之门”(Stargate)，在美开启大规模智算中心建设，在德克萨斯建立智算中心和所需的发电设施，初期投资为1000亿美元，预计未来四年增长到5000亿美元，以支持AI技术发展。图表：2023-2034年全球AI市场规模（单位：十亿美元）图表：海外云厂商数据中心投资计划（不完全统计） 芯片功耗上升，单机柜高功率趋势凸显 •芯片单体功耗急速增加，带动单台服务器功耗提升。芯片方面，英伟达的H100和H200单芯片功耗为700W，GB200达到2700W，单芯片功耗显著提升；服务器配置方面，NVL32 GPU数量为32颗，GB200 NVL72架构则需要72颗，单机柜部署4台服务器至9台服务器，整体功率要求大幅提高。传统每台8卡AI服务器的功耗在5kW～10kW，进一步由服务器组成整体机柜时，单机柜的功率将达到40kW以上。HGX系列单台服务器功耗从Hopper架构的10.2kW提升到Blackwell架构HGX B200的14.3kW，而NVL72单机柜功耗提升到120kW。 •单位机柜密度提升。据Vertiv预测，2024至2029年，每机架的GPU数量将从36个显著增长到576个。机柜的物理空间相对有限，未来机柜的功率密度将快速提升，Rubin Ultra时期，AI GPU峰值机架密度功耗最高或超过1000kW，进入MW时代。 柴油发电机组为数据中心重要电力保障 •柴油发电机组是高功率数据中心的核心备用电源。柴发机组本体由柴油内燃机组、同步发电机、油箱、控制系统4个部分组成，柴油为燃料产生高温、高压燃气，燃气膨胀推动活塞使曲轴旋转产生机械能，最终机械能转换为电能输出。在数据中心的设计过程中，电力保障系统在诸多系统中显得尤为重要，而作为电力保障的重要组成环节。柴发机组常用于在市电故障时用以备用电源启动，ATS（自动转换开关）自动将电源切换到发电机作为主电源，发电机快速启动并对外输出稳定可靠的电能，保障数据中心正常运行。 •柴油发电机组为数据中心机房必要配置。维持数据中心正常运转及给机房散热都需要消耗大量的电力，而柴油发电机组的选择与应用在以往小机房的建设中很少涉足。按照现有标准要求，A级机房设N或N+x台冗余(X=1～N)后备柴油发电机；B级机房供电电源不能满足要求时，设N台后备柴油发电机；C级机房当不间断电源系统的供电时间满足信息存储要求时，可不设置柴油发电机。由此可见，除了一些不重要的C级机房，A、B级机房设置后备柴油发电机是有必要的。 柴油发电机组的核心部件为发动机 •柴油发电机组架构较复杂。柴油发电机组的基本组成部分包括：机座（要求具有良好的防震性性能）、柴油发动机、交流同步发电机、控制屏（配电以及控制系统）、冷却系统，以及散热器、喷油泵、曲轴、电瓶、空气滤清器等其他部件。 •发动机是柴发机组的心脏。发动机将燃油能量高效转化为机械能，进而驱动发电机产生稳定电力，在一些对电力持续供应要求极高的数据中心，对柴发机组的发动机性能要求较高。 数据中心柴发机组性能要求较高 •性能等级要求：对于数据中心，由于其负载大多是IT负载，由UPS提供持续运行的电源，其所选用的柴油发电机组应该达到G3级或G4级规定的要求。数据中心在柴油发电机组上主要的行业规范是YD/T502，包括一步加载能力和启动时间等，其中，一步加载能力要求50%的加载必须达到G3，一分钟必须加到100%的负荷，启动成功率＞99%，间隔时间不能大于10秒，这也是柴油发电机组必须满足的硬性要求，只有此才能够应用到数据中心上。 •功率要求：数据中心常用柴油发动机功率基本上在1000KW到3000KW之间，目前在中国主流的数据中心基本上是1800KW和2000KW的机组功率，以及10%的超负荷带载能力。 数据中心柴发机组高压化趋势提升 •受数据中心功率大型化趋势影响，高压柴发机组优势提升。与230/400V低压发电机组相比，高压柴油发电机电机部份是根据客户的要求定做的，一般是6300V，10500V,15000V。高压发电机组具有调压精度高，动态性能好，电压波形畸变小、效率高、使用寿命长等优势，特别在容量要求较大和送电距离较远的应用场合，高压柴油发电机组具有大容量、远距离供电，可靠性强、配套配电系统结构合理等明显优点。大型数据中心需要多台功率柴油发电机组并联才能满足使用负荷的需求，为了能更加安全可靠的运行，选择高压柴油发电机组是一种更好的选择。 数据中心柴发行业现状03 传统柴发市场需求较为稳定 •柴油发电机组海外市场受电信、IT等多因素驱动。欧美是国际柴油发电机最大市场，主要推动力来自电信领域与IT科技、部分欧盟补助资金。新兴市场包括非洲地区与中东国家、东南亚与大洋洲、南北极地区等。非洲与中东区域柴油发电机需求主要来自石油勘探、设施建设以及电力设施产生的需求。亚太地区的市场需求则由工业化与城市化所带动。2023年全球柴油发电机组收入约为1658.68亿美元。 •国内柴发机组备用电源需求仍存在多个领域。国内由于柴油发电机组作为可移动电源，使得其在很多领域内难以被替代，目前在医院、银行、机场等方面的需求量仍然很大，仍将柴油发电机组作为应急必备。伴随国家对基础设施建设的大力投入、移动通信和数据中心需求的增长、互联网数据中心的快速建设、石油