AIDC系列（五）：SST方案：变压器颠覆性技术路线

•2023-2030年全球AI市场规模CAGR有望超35%，AI驱动智算侧需求凸显。全球AI市场投资浪潮已现，根据PrecedenceResearch市场预测，从2023年至2030年，全球人工智能（AI）市场有望从11879亿元增长至114554亿元，实现超过35%的复合增长率。随着云计算的快速发展，越来越多的关键应用迁移到云端，数据中心建设的规模也越来越大，通算中心对时延、带宽、可用性以及安全性等有了更高的要求。•HVDC、巴拿马电源等方案具备一定优势，SST方案综合优势突出。机架功率朝高密度方向演进使得数据中心供配电架构面临全直流系统需求提升、末端电压等级提升、供配电占地面积增加等较多挑战。HVDC方案较传统的UPS方案有一定升级，巴拿马电源方案进一步升级，可实现模块化及高效率。SST方案适用于微电网的直流用电场景，可直接完成市电至800V直流供电的转变，兼具体积轻便、可自主解决谐波治理等问题、可快速检测并隔离输入侧或输出侧故障、可支持双向功率流等优势，已在数据中心项目中得以应用。•数据中心SST方案投资建议1、高频变压器：SST方案的核心部件为高频变压器，传统变压器企业技术沉淀深厚。建议关注：特种变压器龙头【新特电气】、特高压变压器龙头&西电电力电子母公司【中国西电】、AIDC变压器领军企业【金盘科技】等。2、电力电子器件：SST通过三级电路拓扑实现电能转换与隔离，具备电力电子相关技术储备的公司有望享受赛道红利。建议关注：AIDC多产品布局&电力电子老牌企业【盛弘股份】、电力电子系列化解决方案供应商【四方股份】、整流&逆变技术布局深厚【科陆电子】等。3、上游原材料：高频变压器采用纳米晶/铁氧体磁芯。建议关注：先进磁性金属材料龙头【云路股份】、非晶材料领域龙头【安泰科技】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。核心要点 证券研究报告*请务必阅读最后一页免责声明1 SST方案优势突出投资建议行业现状及挑战风险提示2 02030104 *请务必阅读最后一页免责声明 行业现状及挑战01. 证券研究报告•2023-2030年全球AI市场规模CAGR有望超35%。全球AI市场投资浪潮已现，根据PrecedenceResearch市场预测，从2023年至2030年，全球人工智能（AI）市场有望从11879亿元增长至114554亿元，实现超过35%的复合增长率。•AI驱动智算侧需求凸显。通算中心最初的用户诉求主要来自于一些特定的应用，诸如：电子邮件、社交媒体和员工工资发放等。后来随着云计算的快速发展，越来越多的关键应用迁移到云端，数据中心建设的规模也越来越大，通算中心对时延、带宽、可用性以及安全性等有了更高的要求。全球智算需求持续高增资料来源：维谛技术白皮书，Precedence Research，民生证券研究院图表：人工智能（AI）全球市场规模及预测（单位：亿元人民币）1.1 *请务必阅读最后一页免责声明4 证券研究报告•智算中心的用户诉求来自于智算训练业务，需建立高度集中化的GPU集群。为确保大模型训练的效率和成本最优，智算训练需要建立高度集中化的GPU集群。基于GPU的分布式工作原理，如果需要在减少训练时间的同时降低训练的成本，必须在更小的物理空间内部署更多的GPU服务器，从而突破分布式计算因带宽和传输距离产生的运算瓶颈，提高集群算效，故智算训练业务需要建立高度集中化的GPU集群。•智算中心机柜呈现高密度化趋势。智算中心GPU芯片算力在不断提升，目前H100/ H200/H800等芯片TDP设计功耗已达700W，GB200已达到2700W功耗。通常AI服务器由8卡GPU或NPU模组构成，每台AI服务器的功耗在5kW～10kW，机柜的功率密度将达到40kW以上。新一代的GB200架构中，NVL36机柜功率密度为72kW，NVL72液冷机柜功率密度则为120kW。单机柜功耗从通算中心（传统数据中心）的4～6KW的逐渐增加至智算中心（AIDC）的20～40kW，未来逐步发展至40～120kW甚至还要更高。机架功率朝高密度方向演进资料来源：维谛技术白皮书，民生证券研究院图表：不同芯片架构对应参数表1.2 *请务必阅读最后一页免责声明5资料来源：维谛技术白皮书，民生证券研究院图表：不同规格服务器架构对应参数表 证券研究报告Ø挑战一：全直流系统需求提升•智算中心直流设备比重提升，兼容性&智能化调控驱动全直流系统需求提升。通算中心（传统数据中心）在供电系统选择上，常见两种方案：AC400V不间断电源（UPS）和DC240V高压直流（HVDC）。但考虑到未来智算中心中直流设备（光伏、储能、电池、IT服务器、直流充电桩、直流照明和空调设备等）的比重将越来越大，有必要建立一套兼容的全直流供电架构，这将有助于数据中心及周边新能源、储能的广泛接入，并支持负载侧的智能化调控。全直流供电架构将10kV交流输入转换为750V、400V、240V直流，750V直流用于接入分布式电源和储能以及直流空调室外机组用电，400V直流为空调室内机组等直流设备供电，240V直流为照明、IT服务器等直流负载供电。智算中心建设面临多项挑战资料来源：维谛技术白皮书，民生证券研究院图表：数据中心全直流架构1.3 *请务必阅读最后一页免责声明6 证券研究报告Ø挑战二：末端电压等级提升•常规传统54V供电已到极限。目前大多数AI服务器机架仍采用54V直流供电方式，这种设计原本是为千瓦级设备服务的。但当单个机架功率达到甚至超过1兆瓦时，传统低压直流供电方式存在空间紧张、能效低下等多重弊端。•英伟达为代表的头部企业已提出800V HVDC供电架构。为解决上述问题，英伟达联合英飞凌、施耐德电气、台达、伊顿等多家行业头部企业，共同推动800V HVDC架构落地，并计划于2027年与NVIDIA Kyber系统同步部署。该方案通过工业整流器将13.8kV交流电直接转换为800V HVDC，省去多级中间电压转换环节，大幅减少能量损耗，也减少了对风扇和PSU的需求，从而提升整体可靠性。智算中心建设面临多项挑战资料来源：英伟达官方博客，电力电子实验室公众号，民生证券研究院图表：英伟达800V HVDC架构1.3 *请务必阅读最后一页免责声明7图表：英伟达800V HVDC方案优势资料来源：英伟达官方博客，电力电子实验室公众号，民生证券研究院 证券研究报告•挑战三：供配电占地面积增加挑战。根据通算中心（传统数据中心）的规划建设经验，单机柜功耗在2.5kW-5kW的情况下，供配电系统占地面积通常为IT设备占地面积的1/4左右；当单机柜功耗提升到8kW左右时，供配电系统占地面积将达到IT设备占地面积的1/2左右；当单机柜密度提升到16kW，供配电系统占地面积将与IT设备占地面积几乎相同。智算中心建设面临多项挑战资料来源：深知社，民生证券研究院图表：不同芯片架构对应参数表1.3单机柜功率2.5-5kW配电/IT机房面积比1/4 *请务必阅读最后一页免责声明8具体数值8kW16kW1/21 SST方案优势突出02.9 证券研究报告•数据中心对变压器有刚性需求，超大型数据中心需要配置高压变压器。一般而言，供电公司提供高电压（>100kV）或中压电力。到达数据中心后，需要现场变电站和电力变压器将其降压到中压（MV）。MV电力将通过MV开关设备安全分配到另一个变压器，该变压器位于数据大厅附近，并将电压降低到低压（415V，在美国为三相电系统的415V标准电压）。现代超大规模数据中心对变压器性能要求进一步提升，需要一个现场变电站来将高压从HV（138kV、230kV或345kV）变压到MV。典型的高压变压器额定容量在50MVA到100MVA之间：例如，一个需要150MW峰值功率的数据中心园区可以使用两台80MVA变压器，或者为了覆盖潜在故障而采用三台N+1冗余的变压器。且由于每条输电线路都有其独特特性，HV变压器通常是定制制造的，因此往往具有较长的交付时间（>12个月）。数据中心变压器：模块化、高能效导向2.110资料来源：半导体产业研究公众号，民生证券研究院图表：微软站点高压变压器示意图 *请务必阅读最后一页免责声明 •HVDC较传统UPS方案多项性能有所升级。传统UPS系统通常采用交流输入，经过整流器转换为直流电，再通过逆变器转换为交流电输出给设备。电池组连接在整流器和逆变器之间，用于在市电中断时提供后备电力；HVDC系统直接输出高压直流电，取消了UPS中的逆变器环节，电池组直接连接在输出母线上，采用浮充充电方式。UPS方案需通过DC／AC逆变器将直流电逆变为交流电，因此在市电供应正常情况下，若UPS系统的逆变器出现故障或中断，即使蓄电池组储能充分，备用发电机工作正常，也将导致通信设备的瘫痪，存在严重的单点故障问题。2011年数据中心行业开始探讨HVDC的解决方案，具有模块化、效率高、可靠性高、成本更低等特点优势，整体系统效率约94.7%。HVDC、巴拿马电源等方案具备一定优势资料来源：数据中心基础设施运营管理公众号，民生证券研究院图表：数据中心供电核心系统框图(UPS）11 证券研究报告*请务必阅读最后一页免责声明 •巴拿马电源方案进一步升级，可实现模块化及高效率。巴拿马电源属于泛HVDC（高压直流输电）系统，可实现更加简洁的系统架构。传统IDC供电架构中，变压器无法取消的情况下，采用系统综合式设计，用移相变压器取代工频变压器，降压&整流合二为一，同时采用多脉冲设计，分为6绕组（36脉冲）、12绕组（72脉冲）、16绕组（96脉冲），不仅可大大减少变压器副边绕组的短路电流，降低下游开关的短路电流容量，减少原来输入柜的开关容量，还可以通过脉冲数的增加，实现低THDi和高功率因数，从而减少整流电源模块内部PFC和滤波回路。巴拿马电源将整流电源模块进行优化，模块效率从96%提升至98.5%，系统效率提升2%以上，从AC10kV到输出DC240/336V整个供电链路做到了优化集成。相比传统数据中心的供电方案，其设备和工程施工量可节省40%，占地面积减少50%。HVDC、巴拿马电源等方案具备一定优势资料来源：台达公众号，民生证券研究院图表：巴拿马电源变压器方案示意图12资料来源：数据中心基础设施运营管理公众号，民生证券研究院图表：巴拿马电源示意图 证券研究报告*请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告•SST方案适用于微电网的直流用电场景，可直接完成市电至800V直流供电的转变。固态变压器（SST）也称为“能源路由器”，在基于直流电网区域架构中，适用于微电网的直流用电场景。固态变压器（SST）不仅在中压之间具有高频隔离的直流或交流接口，可实现局部自治的单向或双向潮流，还具有电能管理、能源管理以及故障管理的能力，支持不同直流发电单元、储能系统和用电单元之间、不同用电电压之间的电力交互。直流环节的固态变压器（SST）不仅可以在原方接入直流设备，如储能电池、光伏电站等，还能同时在副方为直流、交流设备提供稳定的电能供给。利用这一特性，可解决新能源引入后智算中心供电架构面临的诸多问题。SST方案可直接完成10kVac至800Vdc转换资料来源：维谛技术白皮书，民生证券研究院图表：直流环节固态变压器（SST）图2.313 *请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告•固态变压器借助电力电子电路实现系统控制。固态变压器（SST）由交流启动柜（10kV交流输入）、功率模块柜、直流配电柜组成，内部主要由电力电子电路与高频变压器等部件构成，高频变压器的频率通常为几kHz至几十kHz，甚至上百kHz，通过电力电子电路的控制可实现高压交流至低压直流或低压交流的电压变换与能量双向流动，高频功率变流部分替代了传统的工频变压器、低压配电柜、变流器，可以实现10kV交流输入和240V等直流电压等级的输出或交流（DC-AC功能可选）输出，是可以应用于数据中心的一种新型不间断电源系统。SST方案本质为三级功率变换资料来源：薛伟等《固态变压器研究综述》，民生证券研