电力设备行业系列报告(49):固态变压器是AIDC重要供电方案之一,空间广阔.pdf

在AIDC功率密度提升的趋势下,英伟达提出800V直流架构,并明确固态变压器SST可能是终极供电方案。SST是高度集成化的电力电子解决方案,占地少、效率高,未来渗透率有望持续提升,且在绿电直连等领域有广阔应用场景。北美缺电可能加速AIDCSST产业化,中国领先企业有望在新的供电架构下实现弯道超车。
AIDC供电架构直流化是趋势,SST或是终极解决方案。AIDC服务器机柜正向MW级发展,传统供电方式的多级交直流转换链路存在损耗高、空间占用大、及铜耗大等问题。SST通过电力电子变换与高频变压器实现中压交流电直接转换至800V直流电,在转换效率、占地面积等方面优势突出,且能实现多端口绿电接入及模块化快速部署,可能成为AIDC终极供电方案。
SST市场空间广阔,海外缺电背景下,可能倒逼SST产业化加速。除了大型AIDC对于SST的需求较为迫切,绿电直连、柔性配网、电动汽车充电、轨道交通等领域,SST的应用前景也十分广阔,国内已经有很多示范项目。根据我们测算,AIDCSST市场空间可能是千亿级别,叠加其他应用场景,空间更大。
电力电子企业正在加速布局SST。随着台达、伊顿推出针对数据中心的SST产品之后,国内电力电子企业也纷纷推出样机或宣布加大研发投入。中国企业在电力电子及中压并网领域有较深的积累,有望通过前瞻布局SST在AIDC供电方案迭代中实现弯道超车。目前,外资正在推动SST向高压、高功率方向发展,中国领先企业也在加速升级。
口 功率器件和高频变压器是SST的核心零部件。SST拓扑由中压整流AC/DC.中压隔离变换DC/DC两个环节构成,其中功率器件和高频变压器的成本分别约占40-50%和15-20%,其成本和成熟度是影响 SST产业化的关键因素。考虑功率器件的耐压性限制,中压整流环节一般采用级联方式,而大量电力电子器件级联给系统可靠性带来挑战,需要时间验证;高频变压器随着电压等级升高在绝缘、局放、电晕等方面难度加大,且下游要求SST结构尽可能紧凑,频率越高可能损耗越大,因此高频变压器的设计和工艺较为关键。
口固态断路器是关键保护设备。固态断路器是电力电子开关设备,具备开断速度快、寿命长、可靠性高、体积小等优势,适配AIDCSST配电机构发展趋势。其技术壁垒在于功率半导体、控制算法、热管理及系统集成等方面,海外电力设备龙头技术领先,国内企业则利用产业链优势加速切入。
□建议关注:阳光电源、四方股份、中国西电、金盘科技、伊戈尔、禾望电气、新风光、白云电器、京泉华、新特电气、良信股份等。
风险提示:SST渗透不及预期、供应链面临瓶颈、AIDC需求不及预期等。

一、固态变压器可能是AIDC终极供电方案
1、数据中心供电方案面临高压直流化变革
数据中心供电方案主要包括不间断电源UPS、高压直流HVDC、巴拿马电源和固态变压器(Solid State Transformer,SST)四种类型。
UPS:技术成熟、兼容性强,是当前数据中心供电的主流方案,但冗余多、系统复杂、效率仅95%左右、占地面积大。
HVDC:相比UPS省去了AC-DC-AC的多次转换过程。具有高功率密度优势,在海外AIDC中的应用正在扩大。
巴拿马电源:采用移相变压器将降压与整流功能合二为一,效率可提高至97.5%左右,且集成度提升。
固态变压器:进一步升级巴拿马电源,通过电力电子变换和高频变压器,直接完成中压交流到800V直流的转换,效率提升至98%以上,占地面积更小。AIDC高压直流供电是趋势。现有配电链路常包含多级AC/DC及DC/DC转换,供电链路效率低,而且还增加了潜在故障点与维护成本。随着芯片功率不断提升,AI服务器机架正向MW级发展,若沿用54V直流供电,电源机架将对计算空间造成过度挤占。另外,数百公斤低压传输铜材的空间分配和损耗问题也不容忽视。因此,随着AIDC机柜功率密度持续提升,为降低传输损耗、提高供电效率、节省白区空间,智算中心供电架构正向高压直流体系演进。
数据中心节能要求逐渐提高,直流供电方案高效优势凸显。欧盟《能源效率指令》要求数据中心自2024年起披露PUE指标,《欧盟指南2025》明确2025年新建数据中心PUE需≤1.3,存量数据中心2027年前完成PUE≤1.4的改造。美国虽没有明确要求,但谷歌等先进数据中心PUE已达到1.1。国内政策明确提出,到2025年底,新建及改扩建大型、超大型数据中心平均PUE需降至1.25以下,国家枢纽节点项目PUE不得高于1.2。在此背景下,直流供电方案由于供电链路更短,且在高压场景下具有拓扑结构、调压调流及系统效率等方面的优势,可实现更高转换效率、更低电力损耗及更优用电成本,有助于降低数据中心运营开支。

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