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1、传统数据中心电源方案UPSHVDC各据山头，HVDC更得互联网厂商青睐
数据中心对能源利用率（PUE）的要求越来越高，数据中心配电系统的更新需求增大。
随着云计算技术成熟，数据中心的规模也在不断扩大，达到万级甚至十万级服务器的水平，成为数据存储、处理的重要枢纽。
在DC管理不断细致化和智能化过程中，数据中心相对于普通机房对外界环境要求具有极高的严苛性（包括湿度、温度、磁场干扰等）。为使DC核心设备服务器等能够正常运行，需要大量基础设施的辅助，这也是目前IDC能耗巨大的原因之一。
当前数据中心集中使用大规模的服务器和小型机，稳定安全的电源系统是保证数据中心稳定运行的最基础的动力保证。因此只有根据计算中心服务器等设备用电特性和使用中面临的问题进行预先设计并选择最优方案，才能在数据中心运行中保证供电的高可靠性和高可用性。
传统数据中心配电系统主要由以下四部分构成：
（1）备用电源：IDC一般设置双电网的供电系统，一条在市电正常情况下作为负载提供电源，另一路市电则用于备用电源，也可以用发电机组代替。最后备用电源在市电和发电机均出现故障时，为负载供电。
（2）电源转换设备：包括自动转换开关电器（ATS）、UPS和静态转换开关（STS）三部分。ATS能够实现从一路电源自动切换到另一路电源，保证一级负荷的稳定运行。如果交流供电发生故障，UPS提供后备电源，将蓄电池通过DC/AC转换成交流电持续给负载供电。
（3）配电设备：主要包括交流输入配电、UPS输入配电、UPS输出配电、负载机架排配电（列头柜）以及机架配电（PUD）等。
（4）谐波抑制与治理设备：由于系统存在整流环节，不可避免的带来谐波源，所以必须增加谐波抑制与治理设备来减少谐波对电网造成的污染。
根据GB--《电子信息系统机房设计规范》，电子信息系统应划分为A、B、C三级。具体分级如下：
供电系统中的交直流相互转换，不仅是电能损耗的主要来源，同时也可能危及供电系统的稳定性与安全性。理想的数据中心供电系统即是电能直接以直流电的形式相互转换，忽略整流和逆变单元。
IDC和数据机房作为数据业务专用机房，根据直交流转换的不同，目前的数据中心供电方式主要有以下三种模式：传统UPS供电系统、HVDC供电系统和市电直供。
1.1.传统UPS：超大型数据中心牵引电源备份增加，向大功率、模块化发展，电源整体价值量有望提升
UPS（UninterruptiblePowerSupply）利用电池的化学能作为能量后备，当市电发生断电或异常等电网故障时，为用户设备提供不间断的（交流）电能的一种能量转换装置，被称之为不间断电源。目前数据中心应用最广的主流产品即在线双变换UPS。
目前UPS从储能方式大致分为动态UPS和静态UPS，动态UPS和静态UPS又可以细分为后备式，在线互动式，在线双转换式等；从技术上又分为工频机和高频机，高频机中又细分为塔式机和模块化。
UPS作为应用最为成熟的不间断电源产品在各行各业应用广泛，尤其是通信、互联网、电力、军事等对于供电要求比较严格的行业。
UPS主要分为三大部分：整流模块、逆变模块和蓄电池。当电网给系统输电时，经过整流模块整流后，将AC转化为DC，DC经逆变模块逆变成AC供给给各个负载，并给蓄电池充电，而大多负载又通过内部适配器将AC再次转化为DC使用。若电网故障无法给系统输电时，蓄电池中储存的电能立刻就会大幅度输出，经过逆变器输送给各个负载。
ACUPS+后备电池方案由于高成熟度在世界范围内广泛应用。但是随着数据中心建设规模越来越大，用户对数据中心能耗和可用性要求逐渐提高，该方案固有的低效率和可用性差等缺点逐渐暴露。
UPS技术架构存在的缺陷：
1.1.1.大型及超大型数据中心采用更为节能的ECO模式，电源备份冗余增加
由于UPS结构复杂，因此自身容易发生故障，因此在实际应用中，依靠设备冗余能够提高供电可靠性，普遍采用N+1（冗余并联UPS）或2N（双系统UPS）的供电架构。除此之外，UPS系统设计配置方案还包括无冗余、串联冗余、分布式冗余等，其相关使用信息如下表：
实际应用N+1或2N系统配置，因冗余度较高而造成实际负载率较低，直接导致实际系统效率仅约kW，能效过低。另外，UPS由于自身原理特性，系统架构复杂，内部器件繁多，导致可靠性差（尤其是输出端静态开关切换时容易产生瞬断），维护难度大，实际可用性较低。
但UPS的双变换拓扑的稳压、滤波功能使得传统UPS能够保证引入储能系统并提供稳定输出，因此其抗干扰能力在交通、通信等行业及其他具备恶劣使用环境（矿场、车间）一直广泛应用。
虽然传统UPS系统配合双路市电引入及后端双路供电服务器设备能够达到符合要求的可靠性，但是同时也带来投资的增长。对于目前规模体量不断增加的数据中心来说，其系统架构越来越复杂，成本越来越高并不适用其长期发展。
因此随着电网环境不断转好，且服务器成本下降，同时包括数据中心采用ECO模式（经济模式）供电应用越来越广泛：
ECO模式即UPS通过旁路来进行供电，在停电或者电网波动超过设定上线时自动切换到双变换模式。
在数据中心供电系统中，如今数据中心大多选在一线城市或周边，其电网环境普遍较好，同时服务器不仅价格低廉且电源抗干扰能力不断增强（自带PFC校正功能），因此在欧洲等电网环境较好的地区ECO模式应用不断增加。
1.1.2.模块化数据中心建设，引导UPS产品大功率化、模块化
随着云计算、虚拟化等技术成熟以及集中化、高密化服务器的发展，数据中心需要更加可靠、高效并能够整体快速部署的建设方案，模块化数据中心就应需而生，并逐渐成为目前广受市场认可的新模式。
而在数据中心初期建设过程中，就必须要考虑未来扩容增量的需求，因此统一标准化的模块化设计能够为未来规划设计带来便利，同时其整理快速部署也能大大缩减建设周期，尤其有利于大规模数据中心的分阶段投产以及后期的统一维护等。
模块化数据中心简单来说是指供配电和空调系统能够标准化并整体快速部署组成数据中心并开始运行的系统，即可以是一个机房，一层楼或者是一整栋建筑作为一个模块。
但实际应用中，模块化数据中心并不只是简单的模块化UPS和列间空调的简单组合，还应该考虑灵活匹配不同行业需求，根据数据中心规模大小、场景、应用等作出差异化部署。其能够灵活运营于中小型数据中心部署，同时在数据中心超大型规模导向下，其产品化、标准化的模式也能有效解决超大型数据中心“高可靠、高效节能和整体快速部署”的需求。
不过从技术演进角度来说，模块化数据中心源自于模块化UPS的出现，模块化UPS的可拓展性、高能效性等方面补足了对比HVDC模块的缺陷。而模块化数据中心在模块化UPS基础之上进一步集成制冷系统、电力分配系统以及机柜系统，同时模块化设计能够帮助数据中心分期投资，减少一次到位的资本支出负担以及缩短大规模数据中心建设初期低负载的运行时间，最终达到节约成本，提高能效的目的。
1.2.互联网厂商率先推广市电+HVDC，迎接未来数据中心电源新模式
1.2.1.模块化UPS弥补了传统UPS的技术缺陷，但在成本侧和并机条件上仍稍弱于HVDC系统
前文中就体积模块化UPS，弥补了传统UPS在弹性扩展、匹配性、高可用性、高密度、高效率等多方面的不足，产品性能与HVDC模块差异不大。
但是HVDC系统的直流模块并机只涉及模块均流，只需调压即可，而UPS模块在实际运用中，并机需要幅度、频率和相位一致才能可靠并机，因此HVDC模块能够更为安全的去热插拨增加或者更换故障模块。
1.2.2.HVDC系统对传统UPS电源的替代效应
相对传统UPS而言，HVDC系统结构大大简化，同时在低故障率、在线扩容、系统复杂度、可维护性上都具有一定优势。
其架构优势具体表现为：
a、拓扑简单：蓄电池连在输出母线上，可靠性高；
b、维护便捷，割接改造更为方便：插拔式设计，可在线扩容、不掉电割接；
对于采用UPS供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），或专门配置有STS设备，否则通常只能采用停电方式割接。对于重要系统来说，这是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能出现停机不能重启的现象。
直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从而实现不停电割接。
c、受到干扰少，可靠度更高：UPS在断电时蓄电池需要通过逆变电路进行输出，而HVDC蓄电池与输出共母排，理论上备电系统更加简单可靠。但同时电池长期热备份同样对其使用寿命造成影响，因此HVDC对电池管理要求更高；
高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的可靠性。UPS系统本身仅并联主机具有冗余备份，整机系统组件之间更多是串联关系，总体可靠性低于单个组件的可靠性。直流系统，系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，总体可靠性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明，直流系统的可靠性要远远高于UPS系统。
d、低冗余度和模块休眠功能提高实际运行效率：虽然HVDC和UPS的单机设备在一定负载率下效率相差无几，但HVDC系统整流模块采用小容量N+1冗余，冗余度较低，且具备模块休眠功能，使得其在实际应用中整流模块能够运行在50%-80%的高负载率区间中，大幅提高实际运行效率，较传统UPS实际效率高出10%-15%。
目前大量使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换效率与开关电源相近。为了保证UPS系统的可靠性，UPS主机均采用n+1方式运行，UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35～53%。而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多UPS系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载率，UPS主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为70%，甚至更低。对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，可灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。
e、带载能力大大提高
UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容使用。
对于直流系统而言，不存在功率因数的问题；因其并联了大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其带大电流峰值的负荷能力很强，不需专门增加安全余量。
但在实际应用过程中，HVDC普遍还被商家宣传效率高，节能环保，虽然HVDC系统效率比工频UPS高，但与目前模块化UPS并没有明显差别（模块化UPS在下文再详细描述）；
此外在模块化方面，HVDC模块支持热插拨，相比传统塔式UPS在扩容和维护上都有很大优势，但与模块化UPS差别不大。
小结：HVDC系统以其在系统效率、可靠性、可维护性及建设成本等方面的突出优势大获互联网厂商青睐。虽然传统UPS行业也衍生出了高频UPS等技术分支，部分解决了传统UPS负载率低、分期建设难、可扩展性差等问题，但由于多模块的交流并机复杂性、单点并机板、异常转旁路、电池挂接在逆变器前逆变损坏等风险都无法和HVDC技术媲美。此外目前模块化UPS在产品端与HVDC产品也差别不大，但由HVDC构成的供电系统及其后端服务器的变化才是HVDC真正的价值体现。
A、成本端：大大压缩前期投资和后期维护成本
（1）高压直流电源投资成本低
HVDC系统比传统UPS系统节省至少40%的投资，且占用更少机房面积，而对于数据中心来说更小的占地面积也意味着更低的成本。以2NUPS和VHVDC为例，目前数据中心应用最为广泛的容量等级约为KVA、UPS输出功率因数典型值为0.8-0.9，折算成KW，相当于同样功率的单套1A的高压直流系统。
（2）电源维护成本低
在维修成本方面，高压直流供电采用的整流模块化结构，现场替换非常方便，而且由于直流供电系统的可靠性远高于交流UPS系统，故维修概率也大大减小。
B、技术端：HVDC系统与当前的模块化UPS产品差异并不大
模块化UPS弥补了传统UPS在弹性扩展、匹配性、高可用性、高密度、高效率等多方面的不足，产品性能与HVDC模块差异不大，但成本略高于HVDC，安全性高于HVDC。
C、政策端：通信行业及国家技术标准逐渐完善
近几年来，随着国家队节能减排以及绿色数据中心技术的愈加重视，中国通信行业及国家相关HVDC标准相继发布，不断引导和支持HVDC推广工作。
年，为贯彻落实节能减排，加快节能技术推广普及，发改委公布的《国家重点节能技术推广目录（第五批）》中就有“通信用V高压直流供电系统技术”，是信息通信行业的唯二项目之一。
年，国家发改委将此相关技术纳入《国家重点节能低碳技术推广目录》（年版）。
年，工信部、国家机关事务管理局及能源局为开展绿色数据中心试点工作，共同研究制定《国家绿色数据中心试点工作方案》，其中特别强调“数据中心关键设备生产企业要加强生态设计，提高设备能源使用效率，控制有毒有害物质使用，采用易于拆解和回收处理的设计。试点单位要加强绿色智能服务器、能源管理信息化系统、热场管理、余热利用、自然冷源、水循环利用、分布式供能、直流供电等技术和产品应用”。
年，工信部组织开展绿色数据中心先进适用技术筛选工作，其中通信用V/V直流供电技术位列供配电类技术首位。
信通院与开放数据中心委员会年发布的《数据中心白皮书》中指出，“随着产业规模快速增长，数据中心建设成本和能耗激增，可靠性高、成本低的高压直流（HVDC），成为数据中心供电系统的新选择，采用“HVDC+市电直供”相结合的模式，供电效率可提升到94%-95%，若采用HVDC离线模式，其供电效率可提升至97%以上，目前HVDC已在BAT等大型互联网公司得到了广泛应用。”
近年来，互联网公司探索48V、12V供电模式，如谷歌、Facebook的48V整机柜供电架构、百度的12V分布式锂电池系统等，进一步提高供电效率，并实现模块化部署，热插拔维护。
“总体来看，供电系统逐渐由交流/集中式向直流/分布式转变，提高效率，降低成本，简化运维。”
D、应用情况：运营商和BAT等互联网厂商大力推广HVDC应用
HVDC作为一项已经成熟的技术，在国内外应用却并没有铺开。直到近些年随着数据机房规模不断扩大，对能耗指标的不断提高才促使互联网厂商等开始重视高压直流的应用，7年江苏电信就最早在国内尝试。随后通信网络和数据中心就开始广泛应用V的HVDC技术。前期，主要由三大运营商主导（主要是中国电信）HVDC推广应用，随后BAT等互联网企业在云数据中心建设中也纷纷开始尝试相较于UPS更加节能减排且高效的HVDC技术应用当中。
目前，高压直流的主流方案为国内的V、V和国外的V等形式。由于大部分标准交流输入设备可直接采用V直流供电，因此国内主流运营商正逐步扩大面积推广VHVDC系统，但V、V等电压等级的HVDC需要定制的服务器电源，其推广难度相对较大，且配套配电系统仍未成熟，因此应用范围较少。
同时，目前主流HVDC都是基于通信电源进行开发（即采用48V输出），所以HVDC供电架构在数据中心和通信机房或基站电源应用中存在很大的共通之处。
近年来运营商和BAT等互联网企业不断推动HVDC应用，在通信电源侧的推广是基于其易维护、易扩容的特性导向下造成的，而互联网企业则是基于对HVDC较低成本及系统简单性的考量而选择HVDC进行推广。
通信用HVDC大量应用于互联网和运营商数据中心中，互联网企业后来居上。据不完全统计，截止年11月，国内通信用HVDC实际应用量已达到个，累计总供电容量达到A。无论是数量还是容量上互联网企业和运营商共占去85%以上的份额。
HVDC技术应用前期由三大运营商（主要中国电信）引导，后期互联网企业成本需求带动技术广泛应用：通过纵向对比，7-年之前，HVDC应用系统主要以电信运营商为主，在通信网络应用的系统数占大头。但是受制于供电需求和技术发展水平限制，系统容量都不大。但近几年随着云计算逐步成熟，尤其是互联网企业（BAT等）开始大力建设大型IDC、云数据中心等，HVDC需求量突飞猛进，HVDC应用也后来居上。
年，互联网企业的HVDC应用系统无论从数量还是容量均超过电信企业。
1.2.3.市电+UPS/HVDC模式优于传统集中供电系统；市电+HVDC成为互联网企业争先应用的最新领域
前文提到UPS的ECO模式，即是市电+UPS模式的应用之一。在数据中心供电系统中，传统UPS系统依靠前端双路引入市电来提高供电可靠性，但同时也带来投资的增长。对于目前规模体量不断增加的数据中心来说，其系统架构越来越复杂，成本越来越高并不适用其长期发展。
同时随着虚拟化等技术普及，比如两地三中心、同城双活等备灾方案也大幅提升互联网数据中心业务的连贯性，单个数据中心的IT设备本身对于供电可靠性的要求也有所降低。因此，依靠引入一路市电直供+UPS/HVDC的模式应用更受互联网厂商青睐。
（1）市电+ACUPS方案：该方案国内最初应用来自于百度在9年自建机房，在保证较高可用性基础上，建设投资缩减近半，运行效率提升5%以上。
高可用性：近年来国内供电质量稳步提升，电力公司可承诺供电可用性可达到99.9%，1路市电+1路ACUPS配置的系统可用性可达到7-8个9的可用性，与传统2N配置的ACUPS相比差不多，可满足T4级供电可用性要求，高于传统N+1配置的ACUPS系统可用性（5个9）。
应用过程中，市电闪断或波形变动对服务器断电没有直接影响，市电供电也未给服务器电源模块运行带来明显故障率上升。
建设成本更低：与2NACUPS系统比，建设投资缩减近半；与传统N+1ACUPS系统比，投资略低。
运行效率更高：实际末端配电系统效率可达97%，较2NACUPS系统高出约10%，较N+1ACUPS高出约5%。
因此，综合考量可用性、建设成本及运行效率，无论是双系统2N式还是并联冗余N+1式UPS供电系统，都无法优于市电+ACUPS供电模式。
（2）市电+HVDC方案：随着HVDC技术逐步成熟，在试点+ACUPS应用基础上，部分国内企业开始逐步尝试市电+HVDC供电方案。
由于HVDC自身可用性高于ACUPS系统，因此市电+HVDC系统可用性可达8-9个9，强于市电+ACUPS系统，且投资较低，运行效率高。
综上所述，市电+HVDC模式无论在系统实用性、可靠性、成本端都领先于其他几类供电方案。
1.3.超大型数据中心HVDC更具优势，更低的运行成本能为其带来更大的成本压缩空间
前文中分析了在数据中心建设中各项配点方案的指标。其中，最核心的两项指标——运行成本和建设成本中，尤其是实际系统效率（对超大型数据中心运行成本影响较大）对互联网厂商的决策影响因素最大，也能为其带来更大的成本压缩空间。
因此市电+UPS和市电+HVDC更具有优势，其中市电HVDC显而易见更受大型互联网厂商的青睐。
百度将市电+HVDC离线模式做到供电效率99.5%：在年率先使用市电+UPS供电方案，其效率达到95%。而在最新的阳泉数据中心则采用了市电+UPS、市电+UPSECO（节能休眠模式）、市电+HVDC在线和市电+HVDC离线模式，其中市电+HVDC离线是世界首例采用该种供电架构，其供电效率由原来的2NUPS的90%一月提升至99.5%。（所谓离线，是指正常情况下市电直供IT设备，HVDC仅作为蓄电池提供浮充，市电中断，转由蓄电池供电，该架构下，正常市电直供不经过HVDC转换，因此节能效果显著）。
腾讯第三代供电系统“市电直供+VHVDCECO”供电效率高达近98%：天津数据中心二期采用腾讯的第三代供电系统，即“市电直供+HVDC”双路供电架构，并运行相关测试发现，相比传统UPS系统和双路HVDC系统，市电直供+HVDC模式在各个负载率下供电效率均在97%以上，且在不同负载率时，供电效率波动较小。其中部分系统负载率在20%以上时，供电效率稳定在98%以上。此外在节能性和故障率上腾讯第三代供电系统均优于其他系统。
阿里巴巴太阳能+V直流+柴油发电互备冗余：阿里巴巴张北数据中心同样采用市电直供+HVDC供电模式，而最新的千岛湖数据中心采用光伏太阳能+C直流+柴油发电机互备冗余架构，太阳能作为一种补充，综合供电效率达97%以上，供电可靠性接近Tier4最高级别。
未来的张北机房二期工程也正积极探索太阳能、风能在IDC供电系统中的补充应用，包括千岛湖数据中心利用水力二次发电等，不断往绿色节能数据中心方向创新。
1.3.1.市电+HVDC优于市电+UPS模式，将成为未来发展的趋势
以KVA数据中心为例，对于KW的系统，这里按KW的实际负载来估算，分别比较市电+UPS和市电+HVDC在8年生命周期内的总电费差异。系统的效率往往随着负载率的提升而增加，如果UPS系统长期处于轻载状态，那么运行的实测效率并没有达到宣称的最高效率点。对于UPS架构，每套UPS的负载率往往只有30%-40%之间，实际的运行效率只有90%左右；市电+模块化UPS系统，而市电直供支路基本是%供电效率，所以整个系统效率大约为95%；市电+HVDC系统，由于有电池直接挂接母线，那么高压直流系统是允许节能休眠的，监控会自动开启需要工作的电源模块数量，并使电源系统在任何负载情况下都可以工作在最高效率点附近，即高压直流可以在全负载范围内都达到96%以上效率，而市电直供支路基本是%供电效率，因此市电+HVDC综合供电效率为98%。
因此，市电+HVDC系统在机房运营的8年生命周期内，相比模块化UPS和市电+模块化UPS分别节省运营电费43.65万和14.65万元。
如果对于10万台服务器的一个大型数据中心，按60个供电系统计算相比模块化UPS及市电+模块化UPS仅仅是采用了“市电+VHVDC”技术在8年时间内就可以节省电费高达万元，非常可观，该技术很值得在业界推广使用。
1.3.2.HVDC市场化推广仍存在一定局限，渗透率提升空间较大
A、HVDC仍未放量，UPS依旧是市场主流
（1）UPS销量下滑，但基数巨大；模块化UPS占比不断提升。
目前，虽然UPS整体市场销量连续下滑，但超大数据中心对大功率UPS产品需求不断提高，整体销售额仍保持大幅上升趋势。
国内UPS市场呈现量减价升的趋势，主要是由于大功率UPS占比增加。根据赛迪咨询统计，年中国UPS整体市场销售额约为62亿元，与年相比同比增长10.7%，其中大功率UPS（20KVA以上）销售额大幅增长，占整体市场的65.7%。从销量来看，年中国UPS整体市场销量为.9万台，同比下降21.0%。受原材料成本上涨和UPS功率段结构影响，市场平均价格大幅度增长。
模块化UPS销售额销量均稳定增长：根据赛迪顾问统计，年中国模块化UPS市场销售额为17.59亿元，相比年同比增长31.0%，份额达到整体UPS市场的28.5%，占比进一步增加，虽然增长率较上一年有所回落，但仍远高于整体市场的增长速度。
（2）HVDC系统应用数量大幅增长，但占比依旧很小。
目前HVDC模块的市占率，根据市场调研约占总体备电电源的10%。据不完全统计，截止年11月，国内通信用HVDC实际应用量为个，累计总供电容量达到A，应用量复合增长率达71.5%，虽然增速很快，但基数较小，短时间内依旧难以替代UPS（电信技术数据）。
B、HVDC产业成熟度不如UPS，UPS依旧有广阔发展空间
虽然HVDC相比UPS具有一定优势，但是现在很多配套机房设施还是交流的，无法使用直流。
目前国内拥有HVDC产品的主要厂家有华为、中恒电气、动力源，海外厂家包括维谛技术（原艾默生）、ABB、伊顿等，虽然技术成熟但是发展时间较短，产业成熟度依旧不如UPS系统，众多传统UPS厂商近些年都开始针对HVDC进行研发并发布产品，例如华为最新模块化UPS电源其性能如系统效率与中恒电气HVDC系统相同，而抗干扰性及机架容量及智能化程度等强于中恒电气HVDC系统，HVDC依旧难以替代UPS。
此外，国内UPS市场并未饱和，目前国产UPS在国内市场份额只有40%左右，依旧有广阔的发展空间，且技术成熟度可以继续提高，深圳艾普诺高管认为，发展好UPS产品，是完善国内电源必走的路。
HVDC危险性要高于UPS系统。对于相同功率的HVDC和UPS系统，虽然高压直流电压与交流电压的峰值相比并不高，但是由于交流电压过零的存在，UPS的危险性远远低于高压直流。
1.4.数据中心电源市场HVDC市场复合增长率超过30%
根据测算，目前每年全国后备电源市场约在65亿元，其中UPS占据大部分市场，HVDC占比约10%。目前大功率UPS由过去的由海外厂商主导逐渐演变成国内外品牌混战，华为、科华、英威腾等纷纷进入大功率UPS市场，而国内模块化UPS更是被华为占据近1/3的市场。
从机架数量上预测：根据工信部发布的《数据中心白皮书（年）》，我国年底在用数据中心机架数为万架，规划在建数据中心规模万架。
按照单体机架配置HVDC电源均价元-元，预计现有数据中心机架替换空间90%，预计HVDC替代市场.8亿元。按照数据中心行业增速判断，未来HVDC的年化增长率将超过30%以上。
2.5G基站能耗高、基站规模大，基站电源有望迎来“量价齐升”
5G网络的架构是无线侧接入网+承载网+核心网，无线侧接入网就是RAN，基站就属于无线接入网；核心网分为机房和骨干网；承载网为各部分之间的信号传输网络。
通信电源同作为基站最基础的供能设施，是保证基站在室内/外，尤其是恶劣天气、环境下正常运行的基础设施。伴随基站总数增长，国内通信电源市场也不断扩大。根据中国产业研究院数据，国内通信电源市场从年的65.5亿元增加到年的亿元规模。
为满足未来5G容量和覆盖需求，全球站点数量将急剧增加。随着5G建设周期开启，5G组网对于供电功率密度、供电效率及损耗率等提出更高的要求，带来技术变革。
2.1.基站侧：5G基站能耗增加电源功耗加大，新增HVDC、锂电池等方案为5G基站供电
通常情况下，基站侧供电系统由一路V交流市电引入，通过交流配电箱、开关电源转换为-48V直流后连入基站设备，基站设备再通过馈线/光纤连接到铁塔上的天线。
市电运行正常时，由市电作为主用交流电源为基站供电；当市电故障时，将运送移动油机至故障基站，为站内设备供电，在油机尚未启动前，由蓄电池组供电。
根据IMT-（5G）推进组发布的5G承载需求白皮书，未来5G接入网云化将推动CU、DU、AAU分离的大规模CRAN部署。
原BBU非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务，BBU的部分物理层处理功能和原RRU合并为AAU，BBU剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。
之所以要将BBU功能拆分的根本原因，就是为了满足5G不同场景的需要。所以，把网络拆开、细化，就是为了更灵活地应对场景需求。这样可以优化网络资源分配，实现最大成本效率，满足多元化要求，所以，才有了DU和CU这样的新架构。
4GRAN采用D-RAN，拉远RRU靠近天线，不仅使得网络规划更加灵活，而且能够大大缩短馈线长度，减少信号损耗且降低馈线成本。
在D-RAN的架构下，运营商仍然要承担非常巨大的成本。因为为了摆放BBU和相关的配套设备（电源、空调等），运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。所以为了节约成本，5G采用C-RAN架构将BBU分离并集中化，进一步减少基站机房数量以及配套设备带来的损耗。且拉远之后AAU配天线，可以安装在离用户更近距离的位置，这样可以降低发射功率。低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长和无线接入网络功耗的降低。
为满足5G的低时延、广覆盖等高度碎片化应用场景需求，核心网部分业务“下沉”无线接入网。依据5G标准，CU、DU、AAU可以采取分离或集中方式，随着C-RAN的部署，未来5G无线接入网将会是D-RAN和CU云化并存的趋势。
第一种与传统4G宏站一致，CU、DU共硬件部署构成BBU；
第二种DU部署在站点机房，CU集中部署；
第三种DU在站点机房集中部署，CU更高层级集中。
在5GRAN分级架构下，CU集中在中心机房，利用NFV技术能够对其虚拟化，大大节约成本。而下层DU呈现集中化趋势，基站侧的站点机房构成类小数据中心模式，其整体制冷和供电系统的规划均可参照数据中心建设。从5G的技术特点与发展趋势来看，5G的频谱资源需求宽，需要用到6GHz以上的频率，同时基站站距变短，5G网络基站的数量将远远大于4G网络。5G设备能耗增多，5G站点电源面临新的挑战。随着三家运营商5G新频段的引入，供电服务需求增加，5G设备由4G的4T4R发展到3DMIMO，容量是原来的33倍，用电功耗将是原来的功耗1.2倍左右。
2.1.1.5G基站功耗大幅增加，可靠性要求更高，单站电源模块价格有望提升
5G站点要求更高的可靠性，备电成为必需。5G网络主要应用于移动支付、智慧城市、虚拟社会、VR/AR、无人驾驶、人工智能以及4K等“万物互联”业务，断网影响难以承受，通信保障压力空前。因此，可靠的基站后备电源是基站建设中必需要考虑的事项。
对于基站BBU和AAU设备的功耗，目前不同厂商设备的差异性较大。以现有64T64RS宏站设备为例，单基站的功耗约为3~4kW，作为对比，4G的单系统功耗仅为W，5G是4G的3-4倍（注：后期随着技术的进步，设备型号的变化，基站功耗也将发生变化，因此下表中的数据仅作为功耗分析时的参考），这将是5G网络供电系统建设和运营面临两个难点。
如果未来5G覆盖要达到目前4G网相同的覆盖效果，5G的基站数量将要达到4G基站的1.5倍左右，每年三大电信运营商电费开支将达到1亿元以上（4G时期为亿左右）。
机房空间、散热、供电和备电能力受限，改造压力大。经过测试，一个系统5G基站功耗3KW以上，因为5G设备是集中放置，电源被要求能够容纳50个BBU，所以一个基站功耗KW以上，且依照移动公司备电7小时的要求，需配置容量高于kAh的蓄电池。一个BBU机柜占地5平米左右，蓄电池组占地面积维持在24平米左右。现有大部分机房的空间、供电和散热能力均严重不足，需进行机房改造，改造成本高昂。同时，由于BBU堆叠放置备电要求较高，铅酸电池体积大、质量重，机房承重严重受限。
2.1.2.5G基站能源新解决方案：锂电逐渐成为趋势
针对能源不足的问题有几种解决方案，如使用站点叠光技术。站点叠光是在传统太阳能供电系统的基础上，利用新型智能开关电源系统，实现供电统一监控，智能调度太阳能、市电和蓄电池的使用，实现太阳能优先供电。在正常情况下，通过使用太阳能，降低市电输入，节约电费支出；而在断电时，优先使用太阳能，蓄电池作为备用，有效降低蓄电池损耗，并在一定程度上减少应急上站发电次数，降低成本。从前期的试点情况来看，经叠光改造后，虽然系统建造成本需花费2万元左右，但后期用电电费及油机发电投资每年可节省3.76万元，效益可观。实际应用中,站点电源叠光主要需解决三大问题——如何进一步降低部署成本、太阳能发电更加高效以及怎样统一管理界面。当前,叠光技术已经发展得比较成熟,站点叠光能够带来切实持续的效益。
将系统电压升高。当前，常用直流供电系统电压为-48V，可将直流系统电压升至57V输出，支持5G大功率模块，降低线缆成本。同时，在系统电压升高后，相同的负载功耗情况下，电力电缆中通过的电流减小，从而减小所需电力电缆的截面积，实现降低线缆采购成本的目的。升压操作只需设定直流供电系统的电压值即可，无需新增供电设备，也不必增加任何额外成本，不影响用电设备的正常工作。
更换更优越的电池。铁锂电池在循环放电次数、能量体积比与工作温度范围方面均优于铅酸蓄电池。在体积相同情况下，铁锂电池的备电能力是铅酸电池的两倍，可有效解决机房承重不足的问题。由于铁锂电池的采购价格较高，一定程度上限制了铁锂电池的大范围推广使用。铁锂电池在通信基站使用的常见模式如下：
（1）铁锂电池单独备电。在部分机房楼板承重能力或机房空间受限的基站，如租用民房等楼板荷载能力较低机房情况下，可使用铁锂电池代替铅酸蓄电池。凭借铁锂电池的高能量、小体积特性，降低对安装空间与机房楼板承重的要求。同时，由于铁锂电池的工作温度范围较宽，可将机房内空调的设置温度升高，降低空调运行能耗，实现节能减排的目的。
（2）铅酸铁锂电混搭。一般情况下，不同厂家、不同时期、不同容量乃至不同型号的蓄电池不能混用。可通过电池合路器，实现铅酸蓄电池与铁锂电池的混搭使用，提高基站备电能力，实现对基站蓄电池资源的优化，降低通信网络的建设和运营维护成本。
（3）梯次电池应用。梯次电池理论上是对原来应用于电动汽车，容量衰减至初始容量80%的“退役”动力锂电池实施二次使用。在三类市电环境温度无法保证的高温场景以及四类市电场景作为备电使用时，传统铅酸电池寿命会大幅下降，而梯次利用动力锂电池循环寿命长、耐高温性能好的优点能够在上述场景中实现经济性应用。
使用直流远程供电。直流远程供电系统由局端设备、远端设备和光电混合缆三部分组成。它可以将机房内稳0定的-48V电源隔离升压到DC～DCV，并通过光电混合缆或电力电缆以最大效率远距离输送至远端设备，远端设备进而将直流高压变换成DC48V、DCV或ACV电压为负载（RRU）、微基站以及室外综合接入机柜等设备提供24小时稳定的、在恶劣条件下免维护的供电，此种方式可以使用UPS或者HVDC。
华通远航及宇能电力提供站点叠光解决方案：华通远航公司年就为尼泊尔通信基站提供了太阳能供电解决方案，为急需用电的地区提供了有效的电源备用方式，大大提高了可靠性。宇能电力已在浙江建成个宏基站,江苏拥有17个宏基站试点,计划将在年建设0个,至年累计建设6.2万个风光储5G基站。该装置一套2~3万元，每年可发电近2.4万度,以1度电0.65元计算节约电费超1.5万元;以设计寿命25年计算,可发电近60万度,节约电费近40万元。
汉维通信、宇球通信等公司提供铁锂电池解决方案：汉维通信研发出了循环寿命、质量能量密度、体积能量密度更优越的磷酸铁锂电池，减少了占地空间，并且抗腐蚀并具备加热降温系统，可在恶劣环境下使用；宇球公司也研制出功率因数达0.99的三元锂电池，使5G基站供电更加可靠
中恒电气提供直流远程供电解决方案：中恒电气为建设中的杭州奥体中心大型室分基站，以及杭州火车东站的准5G（或4G+）基站，提供了HVDC拉远供电解决方案与试点。中恒电气系统体积小重量轻、户内户外环境均可适应，可灵活选择抱杆，壁挂，嵌入等安装方式，适应快速布站，可帮助客户实现网络简单部署、全网节能、高效运维的要求，最大限度节省客户部署及运维开支。
HVDC未来将与UPS共存为5G基站供电：
传统通信电源大多使用48V直流供电，安全可靠，技术成熟，但是之前功率密度小，现在5G基站结构采用集中拉远模式，要求功率密度大，传输距离远，而传统供电方式电压较低，电流较大，能耗较大，并不适合5G基站。需要提高电压，所以未来将会是UPS和HVDC为5G基站供电。
相比模块化UPS，HVDC依旧有一定优势。经研究发现所有的IT负载都是交直流通用的，因此HVDC完全可以替代模块化UPS。目前模块化UPS投资成本较高，相同功率下要高于传统UPS，而HVDC系统相同功率要节约30%-40%投资成本。现在模块化UPS技术成熟，革新之后基本无能效方面的突破，但是HVDC依旧有发展空间在系统效率方面可以继续做出突破。
HVDC产业链成熟度不高，短期内依旧难以替代模块化UPS。虽然在20世纪20年代就开始对高压直流技术进行研究，并且在年建成第一条高压直流输电线路，但是直至20世纪90年代HVDC电源才被人提出，虽然在系统效率上全面超越主流UPS，但是起步较晚，技术及产业链依旧不成熟。众多传统UPS厂商近些年都开始针对HVDC进行研发并发布产品，例如华为最新模块化UPS电源其性能如系统效率与中恒电气HVDC系统相同，而抗干扰性、机架容量及智能化程度等强于中恒电气HVDC系统，在安全性方面HVDC弱于UPS，且机房的很多配套设施依旧是交流的，无法使用直流。-年HVDC销量复合增长率为11%而模块化UPS销量复合增长率为26%，模块化增长率远超HVDC增长率，且模块化UPS基数超过HVDC，HVDC短时间内依旧难以替代模块化UPS。
不过随着技术的发展，HVDC系统将会继续在系统效率、抗干扰性、机架容量及智能化等方面逐渐做出突破，未来将会逐步赶上模块化UPS。
未来5G海量数据、高功耗、高密组网等带来接入侧DU的集中化、AAR、MassiveMIMO等新技术或架构应用，也拉动基础电源与配套设施的变革升级。传统的-48V供电功率小，传输距离较短，由于5GRAN结构采用集中拉远模式，传统的供电方式并不适合，所以未来主流供电模式将是模块化UPS和HVDC共存。且解决能源问题方法较多样，如在合适的区域如郊区可以采用站点叠光技术，并可更换更优越的电池节省空间。
2.2.机房侧：HVDC替代UPS效益增强，市电+HVDC/UPS或将成为主流供电模式
从4G时代设备商就开始直接使用了HP、IBM等IT厂家的通用服务器，并使用NFV技术将网元虚拟化，自此开启了虚拟化时代。设备商基于openstack这样的开源平台开发自己的虚拟化平台，把核心网的网元放在这个平台上。也就是说，并不是只有5G才能用虚拟化平台。设备商先用虚拟化平台部署4G核心网，即在为后面部署5G核心网做准备，提前实验。
5G核心网采用的是SBA（ServiceBasedArchitecture）即基于服务器的架构，把原来具有多个功能的整体分拆成具有独自功能的个体，每个个体实现自己的功能。这样的变化有个明显的外部表现，就是网元大量增加。
这些网元看上去很多，实际上，硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的。这样一来，非常容易扩容、缩容，也非常容易升级、割接，相互之间不会造成太大影响，总之，5G核心网就是模块化、软件化。
2.2.1.5G机房能源解决方案
5G核心网的模块化、软件化使得5G机房越来越像数据中心，而NFV技术本质是应用所有技术的云计算模式。
5G核心网网络架构对能源提出了更高的要求，年1月9日华为在意大利都灵的全球ICT能效峰会上发布业界收个全系列5GPower解决方案。根据华为在全球的调研数据，超过70%的站点将面临电源、电池、配电容量不足的挑战，超过30%的站点需要进行市电改造，运营商面临极高的CAPEX压力。
华为的5GPower解决方案采用“一站一柜”、“一频一刀片”的建设模式，在方案架构上充分考虑温控、电池、备电的可扩展性，实现可扩容、少改造的部署方案。5G将真正开启万物互联的时代，5G带来对信息处理的方式是颠覆性的，由于传输速率与时延，以前像手机这样的终端设备只能依靠本机的硬盘与芯片去存储与运算数据，而未来速率的百倍提升后，终端就是一个接收设备，天量的数据和计算都交给“云”去运行即可，云就是数据中心，因此5GDC机房需要更可靠、更高效、大功率的电源，所以优先采用直流供电方式，建设前期可采用-48V供电，确保可靠性的同时充分利用现有资源；后期则可以采用高压直流或者UPS+市电直供，提升电源效率，降低能耗。HVDC也可以用模块化UPS进行替代，如华为模块化UPS，占地面积1.2平方米，比传统UPS节省占地面积40%。
2.2.2.市电+HVDC/UPS未来将成为5G机房主流供电模式
前文提到目前模块化UPS技术成熟，抗干扰性、机架容量及智能化程度等强于HVDC产品，短期内依旧是模块化UPS占主流，但是低负载下模块化UPS产品性能依旧略微不如HVDC系统，建设成本高于HVDC系统，因此随着技术发展在未来HVDC系统将会赶超模块化UPS系统。对于KW的5G机房，这里按KW的实际负载来估算，分别比较模块化UPS、市电+模块化HVDC和市电+HVDC在8年生命周期内的总电费差异。系统的效率往往随着负载率的提升而增加，如果UPS系统长期处于轻载状态，那么运行的实测效率并没有达到宣称的最高效率点。对于模块化UPS架构，每套UPS的负载率往往只有30%-40%之间，虽然选用了最高效率为97%的UPS，但实际的运行效率只有95%左右；市电+模块化UPS系统，而市电直供支路基本是%供电效率，所以整个系统效率大约为97%；“市电+HVDC”系统，由于有电池直接挂接母线，那么高压直流系统是允许节能休眠的，监控会自动开启需要工作的电源模块数量，并使电源系统在任何负载情况下都可以工作在最高效率点附近，即高压直流可以在全负载范围内都达到96%以上效率，而市电直供支路基本是%供电效率，因此市电+HVDC综合供电效率为98%。
综上所述，市电+HVDC系统在机房运营的8年生命周期内，相比模块化UPS和市电+模块化UPS分别节省运营电费43.65万和14.65万元。
如果对于10万台服务器的一个大型数据中心，按60个供电系统计算相比模块化UPS及市电+模块化UPS仅仅是采用了“市电+VHVDC”技术在8年时间内就可以节省电费高达万元和万元，非常可观，因此未来主流供电模式是市电+UPS/HVDC。
未来5G能源与数据中心类似，是多能源接入模式，即运营商可以根据自己的需求选择多种不同的能源类型。根据MobileWorldLive报道，华为电新能源业务总裁在会上提出：未来通信设备不仅可以通过输电网供电，也可以使用HVDC、太阳能等多种供电模式。而HVDC技术侧已经可以支持无线网络建设的改造，并认为HVDC有望在5G电源系统中广泛推广。
5G海量数据、高功耗、高密组网等带来接入侧DU的集中化、AAR、MassiveMIMO等新技术或架构应用，也拉动基础电源与配套设施的变革升级。HVDC在未来通信电源的渗透率有望提升。
2.3.5G通信电源市场整体市场有望超过亿
基本假设：
（1）市场测算电源价格按照HVDC供电方案产品定价；
（2）5G：预计未来5GBBU集中拉远式机房配套约10个基站数，根据5G整体宏站数量预计，需要约45万套供电系统；
预计未来5G宏站基站建设能够带来新增-亿元以上的市场。
3.投资建议
电源系统作为数据中心、5G、新能源充电桩等新基建“底盘”，也将充分受益于新基建加速发展。
在数据中心电源领域，我们认为未来数据中心架构将向分布式、直流、小颗粒化绿色发展，模块化大功率UPS及HVDC为行业主流。其中，HVDC供电系统由于其建设和运营成本更低的特点在超大型数据中心中应用更为广泛。随着超大型数据中心的加速建设，HVDC电源方案市场空间有望加速提升，此外相较于UPS系统，直流技术在未来5G建设基站供电侧及新能源汽车充电桩市场拥有更广阔的的利用空间，相关受益标的国内HVDC龙头中恒电气，国内≥20KVAUPS市场龙头科华恒盛。
在5G基建领域，基站侧由于5GAAU引入MassiveMIMO技术，5GBBU将处理海量数据，且随着5G业务的不断发展，BBU的计算功耗将逐渐上升。电力成本将会是未来运营商5G运营的核心痛点。基站侧电源改造可行方案包括站点叠光技术应用、智能锂电替换铅酸电池方案以及直流拉远方案，相关受益标的包括中恒电气（直流拉远方案）、国轩高科、亿纬锂能（中国铁塔锂电池采购相关）。此外，传统通信电源厂商有望依靠自身客户及技术平台优势，在5G新基建扩大的市场容量中迎来新的增长机遇，相关受益标的包括新雷能（海外三星供货商及烽火、大唐供货商）等。
3.1.中恒电气——HVDC电源平台技术优势显著，全栈式布局数据中心、5G、充电桩等“新基建”
公司三大业务板块包括电力电子（通信电源、高压直流电源（HVDC）、新能源电动汽车充电）、电力信息化、能源互联网（智慧照明、储能）三大板块。
1）公司HVDC业务规模化竞争优势凸显，屡次中标BAT、通信运营商等主要客户：公司作为HVDC龙头除了应用在新建大型数据中心外，公司HVDC产品逐渐替代三大运营商、BAT等数据中心的UPS系统，年开始公司HVDC产品客户也拓展到政企、金融、保密系统，
2）全栈式5G电源解决方案，受益于国内5G建设及海外微站建设：年随着5G新增基站数量的快速增长，公司5G电源全栈解决方案包含基站、远供、微电源产品，有望迎来快速增长。此外，公司拓展加大海外市场拓展，微电源产品斩获海外订单，
3）牵手滴滴与国网恒大合作，晋升为国内充电桩第一梯队供应商：直流充电桩牵手滴滴旗下小桔充电，成为小桔最大的充电设备合作伙伴。交流充电桩牵手国网恒大，成为其未来五年唯一的有序充电设备供应商。
4)依托硬件入口，布局电力信息化，业务模式轻量化：年电力信息化集中采购公司占10%左右份额，大部分在省市地用户侧电力生产调度、电力规划能效、电力交易运营及综合能源服务等应用方面，公司逐渐切入到电力信息化运营，商业模式逐渐变化。
3.2.新雷能——传统通信电源龙头，军工通信行业双改善
受益于海外5G建设启动，通信海外订单回暖，5G建设启动，打开下游通信电源市场：子公司深圳雷能3年成立，专注于生产、研发、销售通信用模块电源、定制电源及大功率电源及系统等。公司深耕通信电源行业二十余年，根据公司公告，自年起公司就已开始5G高功率电源产品的研发，已经掌握包括高效率变换技术、有源箝拉技术、数字控制等一系列核心技术。目前，公司通信电源主要客户包括大唐移动、烽火通信、三星电子、诺基亚等。随着全球5G建网快速启动，除了传统电源模块产品供给之外，5G模块电源需求量拉动通信用模块电源业绩快速提升，尤其是海外5G建网中不具备电源生产能力的厂商三星等。
军工订单逐渐恢复，自主可控国产替代持续打开未来空间：年9月，公司并购永力科技，其主营为军用供配电电源系统，激光器专用电源模块等。一方面由于永力科技并表；另一方面年起军改影响消除，订单逐渐恢复，带动军工业务增长。我们预计，在中美争端持续化过程中，我国在关键领域产品自主可控需求加大，在军工领域自主可控国产替代有望持续打开国内电源市场。
公司产品研发实力强，部分产品全面对标世界领先电源模块生产商Vicor（Google数据中心供货商），费用率稳健：公司期间费用保持稳定，管理费用率增长主要源自研发投入增加。其研发投入持续增长，占收比较同行业仍保持在高位水平。截止年中报，公司累计获得专利76项（其中发明专利28项），软件著作权44项。尤其在通信及军工领域持续可靠的专业研发实力提供坚实技术保障。其核心技术产品能力能够对标Vicor为Google数据中心提供的48VVDC直达CPU超小模块电源。
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（报告来源：华西证券）
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