1 数据中心供电架构梳理

1.1 数据中心供配电系统构成

数据中心供配电系统是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的 整个电路系统。供配电系统主要由高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转 换开关系统（ATSE）、输入低压配电系统、不间断电源系统（UPS）、UPS 列头配 电系统和机架配电系统、电气照明、防雷及接地系统等部分组成。

1）高压变配电系统，主要是将市电 6kV/10kV/35kV(3 相)通过该变压器转换成 380V/400V（3 相），供后级低压设备用电。常规情况下，数据中心主要采用市电 配电，一般可靠性要求数据中心引入两路市电电源，每一路市电电源的供电容 量，都需要完全满足数据中心的全部电力需求，两路电源负荷设备输入端自动 切换，正常时同时供电运行。

2）柴油发电机系统，作为数据中心的后备应急电源系统至关重要，当市电突发 事件时，柴油发电机组将迅速启动、完成并机，向数据中心提供电力保障，保 证电子信息设备等业务连续运行。“柴发系统”基本由发动机、发电机、散热水 箱、控制系统、辅助系统组装而成，其要求是需在短时间内启动、并机、带 载，完成从空载到满载、从 0 到 1 的功率输出。

3）自动转换开关系统 ATSE（ Automatic Transfer Switching Equipment）是 自动转换开关设备的简称，由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路（失压、过压、欠压、断相、频率偏差等）、并将一个 或几个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器。如市电与发电机的 转换，两路市电的转换；主要适用于低压供电系统，在转换电源期间中断向负 载供电。ATSE 可分为 PC 级和 CB 级。其中，PC 级只完成双电源自动转换的功 能，不具备短路电流分断（仅能接通、承载）的功能；CB 级既完成双电源自动 转换的功能，又具有短路电流保护（能接通并分断）的功能。

4）输入低压配电系统，主要作用是电能分配，将前级的电能按照要求、标准与 规范分配给各种类型的用电设备，如 UPS、空调、照明设备等。

UPS 电源，是一种不间断电源，它可以在电网停电时为电子设备提供电力，UPS 电源内部结构包括电池、逆变器、稳压器、充电器、控制器等部分组成，这些 部分的质量决定了 UPS 电源的可靠性和稳定性。UPS 配电系统一般采用双总线技 术，由 2 台 UPS 构成，主要将电能提供给数据中心内的服务器、机柜设备和运 行监控中心的计算机。2 台 UPS 都引入独立的市电，当正常输入市电时，UPS 能 够稳压市电并提供给负载，同时可以使机内电池储能；当市电中断时，UPS 能 够立即用逆变器将电池内的储能进行转换并继续向负载供电，确保负载正常运 行，避免设备出现不必要的硬件损害。 UPS 输出列头柜，是一列机柜设备最顶端的机柜，主要功能是对这一列柜的交流 或者直接负载提供电源，起到配电，监控，测量、保护、告警等功能。列头柜 类似于柜式的配电箱，里面集中了很多断路器。列头柜主要作用是将 UPS 系统 的输出电能分配给各种类型的终端设备，一般分为强电列头柜、弱电列头柜。 强电列头柜是管理和分配市电或 UPS 电的设备，常位于一列机柜的端头；弱电 柜主要用于网络布线中线缆的分配，一般机房位于强电柜的另一端。

机架配电系统，主要作用是机架内的电能分配，通常是采用电源分配单元 PDU （Power Distrbution Unit）来实现机架内服务器等 IT 设备的电能分配。目前 常见的机房末端配电方案为“列头柜+电缆”，即在机房内每一列机架的始端设 置两个列头柜（互为主备）。列头柜预留出固定的输出分路，通过电缆经该列机 架顶部的走线架敷设，将电能配送到该列各机柜的 PDU。从列头柜到机架 PDU 采 用双回路供电，即：每个通信机柜内设置两个 PDU（AB 路各一、互为主备），每 个 PDU 从对应列头柜的输出分路引入供电回路，为机架内的同一台 IDC 设备提 供双电源保障。

1.2 数据中心供配电架构

根据数据中心的可用性分为四个等级：TierⅠ（基本型）、TierⅡ（部分冗余 型）、Tier Ⅲ（可同时维护型）和 Tier Ⅳ（故障容错型）。数据中心所拥有的 提供持续电源和应急电源的设备数量是关键因素。所谓“容错”，即需要为数据 中心提供“双重”或“多重”安全保障。在供配电方面，2N 系统可以为数据中 心提供“双重”保障。

常见的数据中心供配电系统主要有三种架构，即 2N、DR、RR。 2N 系统：由两个供配电单元组成，每个单元均能满足全部负载的用电需要，两 个单元同时工作，互为备用。正常运行时，每个单元向负载提供 50 % 的电能， 当一个单元故障停止运行时，另一个单元向负载提供 100 % 的电能。这种多电 源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，增加了供电系 统可靠性。但是由于设备配置多、成本高，通常情况下效率比 N+X 系统低。 DR(Distribution Redundancy)，即是分布冗余: 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，每台变压器 10kV 进 线均采用双电源系统切换，组成三套独立的系统，每套系统都可以作为备份的 冗余，末端的负载，由不间断电源 UPS 交叉供电，变压器负载率在 66%以下，任 何一套系统的故障都不影响系统的运行，可用性能 99.998%。 DR 架构在海外数据中心使用较多，国内较少使用。据维谛数据，DR 架构中配电 设备使用减少接近 25%，电源设备成本低。但由于设备和电缆路由难以实现物理 隔离，发生故障时负载分别转移到其他电源，故障定位时间较长。

RR（Reserve Redundancy）,即后备冗余：有一套固定的设备作为冗余备用系 统，这套系统正常是不工作的。主用系统长期满载，备用系统处于长期空载， 当任何一套主用系统断电或维修时，它所承担的负载由备用系统带载。RR 架构 属于 N+1 配置，建设成本低，可用性 99.995%，可靠性满足基本要求。设备和电 缆路由可以实现物理隔离，但系统架构复杂、运维难度偏高。RR 架构在三大通信运营商的通信机房较多使用，而数据中心使用较少。RR 架构可以使智算中心 的供电系统的利用率从 50%提升到 N/（N+1），同时将占地面积减少（N-1） /2N。 通常我们说的 N+1，意味着在任何单个系统组件发生故障时，就会有备用电源。 “N”表示运行系统所需的组件数量，“+1”表示如果系统的某个组件发生故 障，则有一个独立的备份。从以上介绍可知，2N、DR、RR 三类系统的冗余均可 视作 N+1 配置，按 N+1 配置的环节中，故障数量超过 1 时，系统将失效；N 越小 冗余设备越多，可用度越高。

从可用度数值来看，三种架构可用性相差不大，2N 系统可用性更高。据维谛在 《智算中心基础设施演进白皮书》中提及，实际上，只要在规划设计阶段做好 负载分配，无论 DR 架构还是 RR 架构，其可维护性和可用性都是比较高的，其 可用性均在 99.99%以上。从建设成本来看，DR 系统最具有优势。与传统 2N 架 构相比，DR 架构和 RR 架构，在简化架构供电系统的利用率明显提升，DR/RR 架 构的建设成本也比 2N 架构降低，配电设备数量和占地空间明显减少，据维谛数 据，以传统 2N 架构为基准，单位面积下，DR 架构算力提升 33%，RR 架构算力提 升 50%。

2 AIDC 带动天然气发电及燃气轮机需求

2.1 天然气发电是美国第一大电力来源

燃气轮机既可以作为备用电源，也可以作为主要的发电设备独立供电。当数据 中心所在地区的电力供应不稳定或者市电价格较高时，燃气轮机能够以相对稳 定的方式自行发电，为数据中心提供持续的电力，在一些国家和地区，天然气 发电也是主要电力来源。 根据 Low Carbon Power 数据，目前天然气发电占全球发电量的 22%。2024 年 9 月-2025 年 8 月，美国电力消费结构中，天然气发电占比达到 40%，是美国第一 大电力来源，核能占比 17.4%，燃煤发电占比 16.4%，水力、风力、太阳能发电 分别占比 5.65、10.2%、7.9%。过去 50 年，美国电力消费增长主要来自天然气 发电、风力发电、太阳能发电，除了满足日益增长的电力需求，也要弥补燃煤 发电等化石能源的缺口。

目前天然气是美国最适合调度的燃料源，可以轻松开闭，并且可以以超过 80%的 容量系数运行，可以在几分钟内增加，满足需求。根据国际能源署 （IEA） 的 数据，目前天然气是美国大部分数据中心主要电力来源，占比约为 40%，并且 至少在 2030 年之前仍将是主要电力来源。根据国际能源署的数据，到 2030 年，全球数据中心的电力需求将增加 1 倍以上，达到 945TWh 左右，预计到 2030 年，AI 驱动的数据中心的电力需求将增加 4 倍以上。

2.2 燃气轮机的分类及原理

根据国际能源署数据，“由于未来五年需求增长特别快，天然气是最大的额外供 应来源，到 2030 年，每年将增加超过 130TWh 的发电量”。 天然气发电的过程包括在燃气轮机中燃烧并使其在高压下产生热气体，这些气 体使连接到发电机的涡轮机叶片旋转，从而产生电力。有时，燃气轮机的废热 被用来产生蒸汽，这可以在联合循环设置中转动蒸汽轮机，使过程更加高效。 据 Precedence research 数据，2024 年全球燃气轮机市场规模估计为 281.4 亿 美元，预计将从 2025 年的 302.4 亿美元增加到 2034 年的约 574.4 亿美元， 2025 年至 2034 年复合年增长率为 7.4%。从下游分布来看，燃气轮机中 69.6%用 于发电，30.4%用于油气行业、工业、航海业等。分地区来看，北美、欧洲是燃 气轮机最大的两个市场，占全球比重 37%、30%。

根据燃气轮机的结构及输出功率，燃气轮机可以分为轻型、中型、和重型燃气 轮机。据 Modor Intelligence 数据，2024 年，120MW 以上的燃气轮机占销售额 58%以上，从全球来看，重型燃气轮机占主导地位。

涡轮进口温度（TIT）是燃气轮机设计中最为关键的参数之一，它直接影响热效 率和整机的整体技术成熟度。 尽管更高的 TIT 可提升性能和效率，但也带来了 重大的材料与冷却挑战。这正是高度工程化设计的精妙之处——通过突破冶金技术、热障涂层和叶片冷却创新的极限来实现技术进步。燃气轮机通常根据 TIT 分为 F、H、J 三个主要技术等级：

从供应格局来看，目前全球燃气轮机市场主要有三菱、西门子、GE 等，2024 年 市占率分别为 35.6%、24.5%、16.2%，合计市占率超 76.3%。 国内以中型、轻型燃气轮机为主。5-50MW 燃气轮机以分布式能源和油气管道增 压场景为主；重型燃气轮机（>50MW）虽在 H/J 级高端市场仍依赖进口（GE、西 门子、三菱占比超 80%），但 F 级中的 50MW 级别自主化率已达 100%，国产化加 速突围；微型燃气轮机（<1MW）则依托分布式发电与微电网需求小幅增长，国 产化率超 95%，标志着国内正迈向“轻型引领、重型突破、微型深耕”的新阶 段。

从 2012 年开始，国家有关部门开始讨论航空发动机和燃气轮机两机科技重大专 项；2014 年两会期间，航空发动机和燃气轮机两机专项列为国家第 20 个重大技 术专项；2015 年两会期间，两机专项首次写入政府工作报告；2016 年，两机专 项全面启动实施，燃气轮机产业链逐渐兴起。此外，我国对分布式发电技术的 重视，以及工业机械生产技术的进步，也推动了燃气轮机产业的发展。 燃气轮机工作原理基于布雷顿循环，这是一种热力循环，主要涉及四个过程： 压缩、加热、膨胀、冷却。天然气进入燃气轮机前需要通过调压站降压，过滤 干燥后才能分配到每个燃气轮机，天然气和压缩空气在燃气轮机里点火燃烧， 燃烧产生的高温高压气体推动燃气轮机高速旋转，燃气轮机带动发电机旋转从 而发电，高温高压气体在燃气轮机做工后来到余热锅炉，废气加热余热锅炉炉 管里的水产生蒸汽，蒸汽来到蒸汽轮机发电机组发电。

燃气轮机的四大核心组件是由压气机（Compressor）、燃烧室（Combustor）、燃 气涡轮（Turbine）和转子（Rotating Shaft/Spool）组成。它们共同构成了燃 气轮机的工作核心，通常被合称为燃气发生器（Gas Generator）。

1） 压气机：功能主要是为提供高压环境，提高压缩效率（减少能量损失）、防 止“喘振”（气流不稳定导致的振动）； 2） 燃烧室：实现燃料高效、稳定燃烧，关键技术在于控制燃烧温度（避免局部 过热）、降低氮氧化物（NOx）排放、火焰稳定（防止熄火）； 3） 涡轮：将燃气动能转化为机械功，关键在于耐高温材料（需承受 1600℃以 上高温，常用单晶合金、陶瓷涂层）、冷却技术（空气冷却叶片）； 4） 控制系统：监控运行参数（温度、压力、转速），实现启停/负荷调节，关键 在于精准的控制燃油/空气配比，快速响应故障，避免停机或损坏。 大型燃气轮机的资本支出约为 1000 美元/kw，从成本构成来看，核心涡轮机占 比 40%，其他设备占比 15%，土建占比 20%，现场工作占比 10-15%，其他规划、 许可、连接和调试占比 10-15%。

此外，燃气轮机资本支出也受到规模经济的影响，每增加 100MW 容量（以兆瓦 为单位），资本支出成本（以美元/千瓦为单位）就会下降 50%。

2.3 相关布局企业

应流股份：近年来，公司重点发展航空发动机和燃气轮机领域业务，是国家航 空发动机和燃气轮机耐高温叶片“一条龙”应用计划示范企业，为多种主要型 号燃机提供热部件。公司致力于解决重型燃气轮机高温合金透平叶片等关键核 心技术，具备高难度产品开发和批量化制造能力。在燃气轮机国产化进程中， 承担主要型号燃气轮机透平叶片国产化任务，客户包括中国联合重燃、上海电 气、东方电气、航发燃机、龙江广瀚、哈尔滨汽轮机、南京汽轮机等行业龙 头。同时，公司还为境外客户西门子、贝克休斯、安萨尔多、曼恩以及其他客 户等批量供应动叶、导叶和护环等热端部件，并稳定批产交付。杰瑞股份：公司重视发电业务未来发展，成立山东杰瑞敏电能源有限公司，推 动相关业务开展。公司可提供燃气内燃发电机组、航改型燃气轮机发电机组及 相关发电服务等，并已在国内外实现应用。其中在北美地区，公司拥有自主研 制的 35MW 移动式燃气轮机发电机组和 6MW 移动式燃气轮机发电机组设备，能够 为客户提供多种稳定、可靠的供电解决方案，目前已在北美成功开展设备销售 和发电服务两种业务模式，主要用于石油、天然气开发以及调峰发电、应急发 电等领域。今年以来，公司合理进行产能规划，持续实现产品交付，并在北美 市场取得了新的燃气轮机发电服务业务订单。联德股份：已开始为客户提供燃气轮机零部件产品。

3 柴油发电机组：重要备用电源，产能紧缺带动柴发价格上行

3.1 柴油发电机组基本原理及成本构成