AI电气系统：算力集群部署的“底座”

行业概述

（1）背景

随着AI的应用变得越来越普遍，其对算力的需求也随之快速增长。同时，AI大模型的持续迭代升级也引发了各大云计算厂商在AI算力领域的投入的持续加码。

根据中金公司研究部数据，2024年北美TOP5的云厂商合计资本开支高达2,182亿美元，同比增长44.2%；中国BTA的资本开支合计约为131亿美元，同比增长37.3%[1]。

AI算力的基础设施主要部署在数据中心，而电气系统在AI算力基础设施的部署中扮演着“底座”角色，是数据中心价值量占比最高的环节。AI电气系统行业的发展有望受益于算力领域资本开支的持续提升。

图1：数据中心的电气系统架构价值量拆分

资料来源：施耐德电气，中金公司研究部

从2024年年初开始，AI的发展进入指数级的增长，数据中心的电力负载同步增长，增长的电力需求要求机柜必须以集群的方式进行部署。

因此，机柜的功率密度和数据中心的规模得以大幅提升，智算中心（AIDC）已成为传统数据中心升级发展的必然趋势，为物理基础设施（包括电气系统、制冷等）带来更大的需求。

（2）定义

AI电气系统是指为满足人工智能训练、高性能计算（HPC）、大规模GPU集群等设备持续供电需求，所设计和构建的一整套涵盖电力引入、变配电、UPS、动力分配等环节的电力基础架构体系，具备高可靠性、可扩展性与智能化管理能力，其目的是确保电力持续供应以及系统安全运行。

（3）构成

AI电气系统的构成要素主要包含供电、配电、电力保障以及转换系统等。

图2：数据中心的电气系统构成

信息来源：维谛技术

1）供电系统

中压开关柜：用于分配电能、控制与保护中压电路的设备，它在数据中心电气系统的变压器高压侧接入，主要作用是分配电力、控制电路开合、保护电路及设备、实现绝缘与隔离，保障AI算力电力供应的稳定与安全。

备用电源：柴油发电机组是数据中心发生断电时的主要备用发电设备，通常在低压配电系统后接入，主要作用是为数据中心提供应急电力，保障其在停电期间持续运行，确保业务和数据安全。

2）配电系统

变压器：转变电压等级的设备，通常在数据中心的高压配电系统和低压配电系统之间接入，保障数据中心电力稳定传输和设备安全运行。

低压开关柜：连接变压器和数据中心用电设备的控制分配设备，接入变压器低压侧，起到控制设备启停、保护电路安全及监控电力参数的作用。

低压配电柜：连接变压器低压侧与用电设备的电力分配装置，它和低压开关柜在功能上有一定的重叠，但侧重点不同。低压开关柜更多强调控制与保护功能，而低压配电柜更偏向于电力的分配和传输。

3） 电力保障与转换系统

UPS（不间断电源）：一种含储能装置、以逆变器为主要部件的稳压稳频电源，通常接入在市电与数据中心关键设备之间，断电时提供临时电力以及电压异常时调节波动，保障设备稳定运行。

HVDC（高压直流供电系统）：接入市电与服务器等设备之间的一种高效直流供电系统，用在数据中心里能减少电能损耗、满足快速负载变化、提升供电稳定性，还能节省空间和成本。

蓄电池：UPS的关键组成部分，通常是指一组电池组，这些电池组能够在市电正常时储存电能，并在市电中断或异常时为UPS的逆变器提供直流电能，以维持对关键负载的持续供电。UPS蓄电池的技术路线主要分为铅蓄电池、锂电池等，随着技术进步与随之而来的成本下降，锂电池的应用比例正在逐步增加。

4）AI服务器电源

AI服务器电源：将电能转换为服务器内部部件所需直流电的装置，通常在数据中心电气系统末端接入，为服务器的CPU、内存、硬盘等部件供电。

服务器电源本质属于开关电源，AI服务器电源相较于其他开关电源而言主要的差异在于功率密度和效率。同样隶属于开关电源的充电桩、PC电源、医疗电源等产品功率相对较低，其中功率密度相对较高的充电桩（16-60W/立方英寸）、工业导轨电源（24W/立方英寸）仅与通用服务器电源的功率密度接近，但是对比高端的AI服务器电源来讲仍有一定的差距。

（4）政策梳理

随着人工智能应用需求爆发式增长，算力需求呈指数级增长，算力基建的布局及其电气系统的搭建已成为各大国的工作重点。2024年李强总理在代表国务院在十四届全国人大二次会议上作有关《政府工作报告》的讲话中指出，国家要适度超前建设数字基础设施，加快形成全国一体化算力体系，培育算力产业生态。

国家发展改革委、国家能源局、国家数据局提出一系列措施，明确了算电协同绿色发展的政策目标，通过在规划、建设、生产、传输、调度、市场等环节有序统筹，获得更加充裕稳定、绿色低碳、经济可靠的算力和电力。

表1：2021-2024年我国AI算力的电力设备行业相关政策及举措

信息来源：融中研究整理

行业发展历程

（1）早期阶段

早期数据中心规模较小，电力需求较低，主要采用市电直接供电，通过基本的配电柜等设备将市电分配到各个服务器等设备。随着各行业对数据中心可靠性的要求提高，备用发电机开始作为市电故障时的应急电源被引入，以保障数据中心在停电期间的基本电力供应。

图3：早期数据中心的电气系统

信息来源：公开信息整理

（2）不间断电源（UPS）系统发展阶段

20世纪70年代起，UPS系统开始在数据中心中得以应用。UPS可以在市电异常或中断时，通过蓄电池将存储的直流电能转换为交流电能，继续为数据中心的设备供电，确保数据的安全和业务的不间断运行。随着技术的改进，UPS从工频机到高频机，再到模块机，其系统的性能也不断提升，效率更高，占地面积更小，维护也更加方便。

图4：UPS系统在数据中心的应用

信息来源：公开信息整理

（3）高压直流供电（HVDC）系统发展阶段

20世纪90年代末期，高压直流供电技术开始在数据中心应用，其避免了传统UPS系统中多次AC-DC、DC-AC的转换，减少了能量损耗，提高了供电效率。近年来，随着国内云计算巨头如腾讯、阿里巴巴等对HVDC技术的推广，HVDC在数据中心的应用逐渐增多，但仍面临市场渗透率不高的问题。

图5：HVDC系统与 UPS系统的对比

信息来源：公开信息整理

（4）高压直流供电（HVDC）系统发展阶段

2018年，台达电子与阿里巴巴联合推出巴拿马电源架构。该架构将高压市电经过HVDC转换为380Vdc后直达机柜，再通过机柜内的电源转换模块为服务器供电，省去了传统的变压器、低压配电系统等环节，简化了供电流程。

巴拿马电源架构整体效率可达97%以上，占地面积显著低于传统UPS系统，截至2023年3月底，全国已应用366套巴拿马电源，累计容量超过800MW。

图6：巴拿马电源架构

来源：中金公司研究部

市场规模

（1）数据中心市场规模

自2017年以来，数据中心行业市场规模以及机架规模实现双位数增长。2024年国内数据中心行业市场规模约为3,048亿元，标准机架规模约为1,000万架，两项数据预计实现同比超过20%的高速增长。

图7：2017-2024年中国标准机架数量及数据中心市场规模变化情况

信息来源：公开信息整理

而电气系统是保障数据中心服务能力的核心基础设施，包括从高压输入点至终端负载的整个电路系统，为机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠的支撑。

在智算负载升级的背景下，数据中心将从以下两方面对其电气系统的供电可靠性提出更高的要求，从而带动电气系统市场的快速增长。

一方面，AI算力集群的电力密度高，GPU等芯片的瞬时负载波动要求供电系统具备毫秒级动态响应能力；另一方面，大模型训练等业务一旦中断会产生一系列维护、时间成本等，需通过智能预测性电源管理、多路径混合供电（如绿电+储能）实现超高可靠性。

（2）AI电气系统市场规模

1）开关柜

据施耐德电气，1000kw、2N线路配置数据中心在美国、中国、马来西亚硬件成本分别为860、500、460万美元。中国数据中心价值量分布来看，开关设备成本占比位列第二，成本占比约15.8%。

图8：中国数据中心价值量分布

资料来源：施耐德电气，国盛证券研究所

中国三大通信运营商、互联网巨头在AI基础设施上的资本支出显著增加。

2024年前三季度三大运营商的资本开支超过1,200亿元[2]，其中移动资本开支约为169亿，电信约583亿元，联通约489亿元。BAT三家公司的总资本开支超850亿元，其中百度58亿元，腾讯402亿元，阿里407亿元。

此外字节等云计算巨头也在纷纷加码算力资本开支，2025年1月字节跳动在安徽芜湖拟投资80亿元建设涵盖2.2万台服务器的数据中心。

随着国内AI大模型技术的进步，预计三大运营商、BAT及其他主要互联网公司在2025年的资本支出将继续保持高速增长态势，带动开关柜需求加速增长。

图9：中国三大运营商及BAT资本开支情况（单位：亿元）

资料来源：公开信息整理

2）变压器

目前数据中心主要使用干式变压器，相比于油浸式变压器安全性更高，并且体积较小、结构更简单、更易于维护。

根据格物致胜数据，2023年中国干式变压器市场规模约135亿元，其中数据中心领域需求约8.6亿元，尽管占比较小，但随数据中心建设提速该细分领域市场规模有望快速增长。

图10：2021-2026年中国干式变压器市场规模变化及预测（单位：亿元）

数据来源：格物致胜、广发证券发展研究中心

3）柴油发电机

柴油发电机组是数据中心主要的后备电源之一，独立于正常电源，由柴油内燃机组、同步发电机、油箱、控制系统4个部分组成。

据Frost&Sullivan和华经产业研究院，15-23年全球柴发市场规模由114增至165亿美元，中国市场规模由23增至47亿美元。据科勒统计，17-19年中国柴发市场前三大客户：数据中心、制造业、电力市场的份额占比分别为40%、16%、14%，其中数据中心为高价值场景。

随着近年来新能源开始并网、环保政策趋严、数据中心等高能耗项目建设、国产柴油机技术进步、高端客户验证，柴发市场景气度有望持续上行，国产柴发品牌有望受益。

图11：2015-2023年中国柴油机市场容量及规模变化（单位：亿美元）

资料来源：公开信息整理

图12：2015-2023年中国柴发主要客户群体市场容量变化情况(单位：百万元)

资料来源：公开信息整理

4）不间断电源系统

目前，UPS仍占据数据中心电源市场的主导地位，HVDC处于快速发展阶段。

近年来，随着数字化转型和信息技术的发展，各类关键设备，如数据中心、通信基站、制造业设备等，对UPS电源的需求持续增长。我国UPS（不间断电源）行业的需求持续释放。2022年，年复合增长率达到15.73%，预计2025年市场规模达到190亿元。

图13：2013-2025年中国UPS市场规模变化（单位：亿元）

资料来源：智研咨询，天风证券研究所

相较于传统的交流输电，HVDC具有输电效率高、距离远、容量大、损耗低等优点。结合多个互联网巨头使用HVDC系统方案以及2024年国家发布《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》中的相关内容，HVDC将成为智算中心供配电系统的发展趋势。

据MIR数据显示，2022年全球高压直流（HVDC）输电系统市场价值为113.8亿美元，预计在预测期内将实现较大幅度增长，到2028年的复合年增长率为8.59%。

5）蓄电池

蓄电池在UPS供电系统中扮演着重要的角色，锂离子电池由于其性能的提高、使用的灵活性以及相比铅酸电池更低的总拥有成本，已经成为蓄电池解决方案中一种新的选择趋势。

随着数据中心转向绿电供能，锂离子电池应用将从备电类型向供能类型转变，为锂电池市场增长注入动能。根据高工产研的数据，预计2027年全球数据中心储能锂电池出货量将突破69GWh，到2030年这一数字将增长至300GWh，2024-2030年复合增长率超过80%。

图14：2024-2030年全球数据中心储能锂电池出货量及预测(GWh)

资料来源：高工产研，财信证券研究院

5）服务器电源

服务器电源相较于普通服务器电源，其功率密度、转换效率大幅提升，是电源组件市场的关键增长部分。

2026年全球市场规模有望超50亿美元。英伟达在AI服务器GPU市场占有率超90%，占据绝对主导地位。根据TechInsights报告，英伟达在2023年数据中心GPU总计出货量约为376万块，相比于2022年的264万块增长了超百万块。

图15：2020-2026年中国服务器电源市场规模变化及预测(单位：亿美元)

资料来源：公开信息整理

产业链分析

AI电气系统属于数据中心的核心组成部分，位于AI产业链的基础设施层，直接服务于AI算力所需的电力稳定与能源管理。从服务器的启动到复杂算法的处理，每一个环节都离不开电气系统的支持。

AI电气系统的上游主要是芯片、元器件、线缆、金属部件、线圈等零部件；中游包括各类电力设备，涵盖开关柜、柴油发动机、配电柜、变压器、UPS、HVDC、PDU、蓄电池等各部分；下游主要是应用于数据中心、智算中心、超算中心等场景，涉及各类中心运营商、大型互联网企业、云服务提供商等。

图16：AI算力的电气系统产业链

资料来源：公开信息整理

竞争格局

（1）开关柜

全球范围内，头部企业（西门子、施耐德、ABB）依托多年技术积淀和全球化服务网络，掌控超3.6kV以上高压高端开关设备市场约48%份额，特别在数字化解决方案领域具有较大优势。

国内市场方面，头部企业集中度相对较高，CR5超40%、CR10约60%。第一梯队厂商（平高电气、许继电气、中国西电等）依托电网系资源和国产化替代浪潮，主导中高端市场35%份额，并加速海外新兴市场布局；而占据企业数量67%的中小厂则陷入400V以下低端市场价格战红海。

随着智能电网和“双碳”战略深化，各厂商的竞争方向正从传统制造向"智能装备+数字化服务+低碳技术"三维度迁移，预计头部企业将通过技术并购和产业协同进一步扩大优势，行业集中度将持续走高，CR10预计在2025年突破65%。

表2：国内数据中心领域开关柜的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（2）配电柜

全球配电柜及母线行业的市场竞争格局以国产厂商为核心，集中度较低，CR5约30%，同时中低端市场存在大量同质化竞争。

头部企业如良信股份、明阳电气通过智能断路器及模块化方案实现突破，推动高端市场份额结构从2019年外资主导的42%优化至2023年的31%。

配电柜及母线行业技术迭代的核心驱动力源于算力系统的底层技术重构，单机柜功率密度预计五年内从130-250kW跃升至900-1000kW，预计将催动配电系统智能化升级。智能小母线渗透率已达24%，其中威腾电气第三代产品通过提升部署效率占据35%末端配电市场份额。

表3：国内数据中心领域配电柜的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（3）变压器

全球市场范围内，海外头部厂商伊顿、西门子、施耐德凭借模块化设备及综合解决方案占据大额市场份额。

国内厂商明阳电气、金盘科技、伊戈尔等通过加大研发投入实现关键技术突破，其中明阳电气绑定腾讯、京东等头部客户，金盘科技干式变压器在国内数据中心领域市占率第一，约14%。

表4：国内数据中心领域变压器的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（4）柴油发电机

数据中心领域属于大功率柴发机的高端市场，对发电机的技术性能及可靠性要求较高，市场长期被海外企业所占据，国产份额仅约10%。

康明斯、卡特彼勒、科泰电源为主要市场参与者。从市场份额看，2024年中国数据中心用柴发机销售中康明斯及MTU各自占比35%，卡特彼勒占比约15%，海外企业占据80%份额。

图17：2024年中国数据中心用柴油发电机竞争格局

数据来源：科泰电源、中金公司研究部

国内厂商在发电机核心技术（占机组成本60%-70%）上仍依赖进口，但国产柴油发电机（如潍柴、玉柴）在技术参数上已逐渐接近海外水平，差距主要体现在品牌认可度和应用案例积累。

表5：国内数据中心领域柴发的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（5）UPS

从全球范围品牌来看，施耐德、伊顿、纬谛、华为占据超过一半市场份额；

国内市场整体集中度较低，但头部企业占据显著份额，华为、科华数据、维谛技术位列前三，合计市场份额约43%。在细分互联网方向，品牌相对集中，目前主要是外资品牌、华为、科华数据。

图18：中国UPS市场竞争格局（2023年）

资料来源：赛迪股份，各公司公告，中金公司研究部

表6：国内数据中心领域UPS系统的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（6）HVDC

HVDC全球市场在技术方面聚焦于可再生能源适配和长距离输电领域，由国际巨头主导，头部企业包括ABB、西门子、日立等，维谛技术、台达电子，这些企业在全球市场具有技术优势，尤其在数据中心HVDC方案中。

HVDC虽起源于海外，但经过国内云计算厂商积极推广并形成了示范效应。2024年，中国HVDC头部企业包含维谛技术、中恒电气、华为三家，共占近95%的市场占有率，市场竞争格局较为集中。

中恒电气是国内数据中心直流供电的领跑者，不仅是腾讯云、阿里云、百度云的战略合作伙伴，而且是央企电信的天翼云、国家互联网数据中心、超算中心的长期合作伙伴。

表7：国内数据中心领域HVDC系统的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（7）蓄电池

从全球范围看，目前数据中心蓄电池仍由铅酸电池占据主要份额、接近90%，但随着磷酸铁锂技术的成熟以及成本下降，锂电池近年渗透率逐步提升，尤其对于海外市场，在环保政策、降低配电室占地面积等需求驱动下，锂电池应用呈现加速态势、占比提升至15-20%，具备潜在的增量市场。

国内锂电池产业链在技术、成本、集群化方面在全球处于领先地位，正加速布局出海战略以承接全球增量需求。整体来看，全球市场呈现“国内主导、出海加速、锂进铅退”的格局，头部厂商通过技术迭代和成本优势抢占增量市场。

表8：国内数据中心领域不间断电源蓄电池的主要供应商

数据来源：公开信息整理

（8）AI服务器电源

全球服务器电源市场以台系厂商为主，台达电子、光宝科技等占据主要市场份额。从电源的类型来看，其中AC/DC主要仍然以台系厂商为主，其中台达电子、光宝科技位列行业第一梯队，同时台系的群电、康舒也积极布局AI服务器电源，但大多以AC/DC为主。

本土厂商来看，欧陆通、麦格米特、奥海科技等持续发力AI服务器电源。

中国AI服务器电源市场的竞争格局呈现“台系厂商主导高端市场，大陆厂商追赶”。台系厂商（如台达电子、光宝科技）占据约50%的市场份额，大陆厂商（如长城、麦格米特、欧陆通等）占比接近40%，国产厂商中，长城、麦格米特、欧陆通位列前三。

表9：国内AI服务器电源的主要供应商

数据来源：公开信息整理

未来发展趋势

（1）固态变压器的应用探索

随着数据中心节能减碳力度的加大，尤其是“零碳”、“近零排放”等发展趋势下，新能源将成为数据中心未来电力能源的基础。

新能源的具体应用形式是直流供电系统，其具有控制快速灵活、系统效率高、供电容量大、线路损耗小、电能质量高、具有无功补偿能力等优点。而固态变压器（SST）在直流供电系统中具有优势。

固态变压器（SST）区别于传统电磁式变压器，是通过半导体器件和数字控制实现电压转换与电能管理的新型电力电子装置。既是传统变压器的功能性继承者，更是智能电网的关键电力电子设备。

图19：固态变压器

数据来源：公开信息整理

基于直流电网区域架构中的固态变压器（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。不过，当前SST成本是传统变压器的2-3倍，需依赖SiC等半导体器件量产降价。

（2）不间断电源储备一体化

传统数据中心上线运行以后，负载相对平稳。而智算中心的负载运行分为训练和非训练阶段，波动大，呈现动态特性，主要表现为周期性、大幅度、并发性、瞬时冲击等，这种特性对于智算中心的配电是一个很大的挑战。

在大型智算中心的实际测试中当UPS前端转为油机供电时，由于负载的大幅持续波动，油机的输出端出现了明显的电压幅值及频率波动。

图20：市电与油机两种模式下UPS带智算负载的测试波形

数据来源：公开信息整理

借助锂电池的高循环寿命，并结合UPS储备功能，可以改善智算中心的电压负载动态波动对配电环节带来的影响。这种不间断电源储备一体化方案可以通过精确的控制市电与电池的功率配比，实现UPS输入功率的缓升缓降，减小智算负载动态特性对于油机的冲击，提升系统运行可靠性。

行业内UPS头部厂商也全面兼容锂电池储能技术，利用数据中心UPS满载15分钟备电时间，以及UPS备电容量的实际冗余进行相应的削峰填谷。

（3）电气系统集成化、模块化

智算中心单机柜功率从传统数据中心的6-8KW跃升至40-60KW甚至更高，传统分散式供配电架构无法满足高功率需求。而将开关柜、UPS系统、配电柜、蓄电池等设备集成在一个机柜内，形成一套集成化、模块化的供电系统，能减少线缆损耗，提升功率密度，可适配高负载场景。

模块化集成方案将现场施工转化为工厂预制，相较传统12-15个月的建设周期，交付周期缩短至3-9个月。同时模块化技术能够减少冗余设备，优化布局，提升了空间利用率，减少了设备占地面积，如爱默生的一体化机架等。

图21：预制化供配电电力模组

来源：维谛技术

另外，模块化不间断电源系统也正得到发展：施耐德电气等厂商推出的模块化不间断电源系统，将不间断电源系统划分为多个功能模块，如整流模块、逆变模块等，实现了系统的灵活配置和在线维护。

[1]中金研究部《AI“探电”（二）：算力资本开支加码，看好AIDC电气架构的系统性投资机会》

[2]国信证券经济研究所.《人工智能推动算力需求爆发，电力设备迎来成长新赛道》