1. 서 론

무정전전원장치(UPS : Uninterruptible Power Supply)는 입력전압과 출력전압의 종속성에 의해서 크게 Passive-Standby, Line-Interactive, Double- Conversion 방식으로 구분되며, Passive-Standby 방식은 일반적으로 Off-Line 방식, Double-Conversion 방식은 On-Line 방식으로 통용된다^(1-3).

각각의 방식의 특징은 표 1과 같으며 일반적으로 효율을 중시하면 Off-Line 방식을 사용하고 신뢰성을 중시하면 On-Line 방식을 사용한다.

최근 인터넷의 발달 및 각종 매체의 발전에 의하여 데이터의 양이 증가하면서 데이터센터의 서버 수가 급속히 증가하고 있으며 이를 위하여 서버는 점점 고출력, 고정밀화 되고 있다. 데이터센터는 수많은 서버와 IT 장비들로 이루어져 있으며, 보안과 IT 장비의 안정적인 환경 유지를 위해 서버룸에는 365일 24시간 운영되는 서버와 공조장비가 설치되어 있다. 정전이 발생하면 서버의 경우 On-Line 방식의 UPS를 이용하여 무순단으로 전력을 공급하여 서버를 보호하나 공조장비는 별도의 보호장치가 없어 전력공급을 하지 않으므로 동작을 멈춰 서버룸의 온도가 상승하게 된다. 최근 서버는 고발열, 고정밀 서버로 공조장비가 멈추면 서버룸의 온도는 급속히 상승하므로 서버의 고장을 발생시키는 원인이 되고 있다⁽⁴⁾. PUE(전력효율지수, Power Usage Effectiveness)는 데이터센터 에너지 효율을 평가하는 지표이며, 총 전력사용량 중에서 냉각이나 다른 오버헤드를 제외하고 순수하게 IT장비에 의해 사용된 전력의 비율로 효율을 측정하며 PUE 지표가 낮을수록 전력을 효율적으로 적게 사용하는 의미이다. 국내 데이터센터의 평균 PUE는 2.66이며 해외 데이터센터는 1.7로 큰 차이를 보이며 PUE를 낮추기 위하여 전력을 효율적으로 사용하기 위한 방법 개발이 필요하다^(5-6).

이런 문제점을 해결하기 위하여 평상시에는 상용전원을 이용하여 부하에 전력을 공급하면서 배터리를 충전하고 정전이 발생하면 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 전력을 공급하는 공조부하용 Off- Line 방식의 UPS 개발이 필요하다.

2. 제안한 오프라인 UPS

3. 실험 결과

제안하는 오프라인 방식의 UPS는 50kVA 용량의 개발품으로 그림 4와 같으며 세방전지의 ROCKET ESP40-12(12V, 40Ah)로 총 42cell로 이루어진 배터리가 내장된 장비이다. 그림 5는 제안한 시스템에서 사용되는 제어부와 전력 변환부를 나타낸다. 제어부는 Freescale사의 16bit DSC(Digital Signal Controller)인 MC56F8345VFGE를 사용하였다. 전력 변환부는 Static Switch, IGBT와 DC Cap 등으로 구성되어 있다.

이를 검증하기 위해 YOKOGAWA의 WT1800 전력 분석계 및 HIOKI의 Memory HiCoder를 이용하여 제안한 시스템을 검증하였다. 또한, 실제 공조 장비를 연결하여 제품의 유용성을 확인하였다.

그림 6과 그림 7은 제안한 오프라인 UPS의 50kVA 용량에 대한 정상모드의 입력 전력, 출력 전력 및 효율을 측정한 결과를 나타낸다. 그림 6은 50% 부하를 인가했을 때, 측정된 입력 전력은 23.1kW, 출력 전력은 22.33kW, 효율은 96.65%이다. 그림 7은 전부하에서 측정된 값으로 입력 전력은 46.25kW, 출력 전력은 45.24kW 및 효율은 97.8%로 측정되었다.

그림 8과 그림 9는 상용 전원 이상 시 배터리 모드로 전환 되었을 때 측정한 결과값을 나타낸다. 그림 8은 50% 부하에서 입력 전력은 24.48kW, 출력 전력은 23.24kW, 효율은 94.97%로 측정되었다. 그림 9는 전부하에서 측정된 결과로 입력 전력은 48.62kW, 출력전력은 46.55kW 및 효율은 95.73%로 측정되었다.

정상 모드에서 최대 효율은 97.8%이고, 배터리 모드에서의 최대 효율은 95.73%로 측정되었다. 정상 모드에서는 Static switch만 사용하여 상용 전원을 바이패스로 부하에 공급하기 때문에 손실이 적어 높을 효율을 나타낸다. 반면에 배터리 모드는 배터리에 축적된 에너지를 부하에 공급하기 위해 배터리 전압을 승압하기 위한 DC/DC 컨버터 및 DC에서 AC로 변환하기 위한 인버터가 동작하는 과정에서 에너지 손실로 인하여 효율이 낮아지지만, 안정적인 전력을 부하에 공급 가능하다.

그림 10은 동일한 50kVA 용량은 갖는 온라인 UPS와 오프라인 UPS의 부하에 따른 효율 그래프를 나타낸다. 온라인 UPS의 정상 모드 같은 경우 정전압/정주파수를 출력하기 위해 인버터가 항상 동작하게 되므로 정류기 및 인버터의 전력 손실이 발생한다. 하지만 오프라인 UPS의 정상모드는 Static Switch만 동작하게 되므로 온라인 UPS보다 전력 손실이 적으므로 높은 효율을 가지게 된다.

그림 11은 계통 전원 정전이 되었을 때, 정상 모드에서 배터리 모드로 전환될 때의 입ㆍ출력 파형을 나타낸다. 계통 전원 이상 시 두 개의 전압 검출 기법을 통하여 절체 시 무순단으로 부하에 전력을 공급한다. 모드 전환 시 파형을 확인하면 출력 전압이 1.1ms 이내에 절체 되어 부하에 전력을 공급하는 것을 확인할 수 있다.

그림 12는 계통 전원이 정상적으로 장비에 공급되었을 때, 배터리 모드에서 정상 모드로 전환될 때의 입ㆍ출력 파형을 나타낸다. 그림에서 보이듯이 모드가 전환되기 전에 입력 전압이 인가되었지만, 전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 계통 전원 공급 시 입력 전압과 출력 전압의 동기를 확인한 후 STATIC SWITCH를 통해 절체가 이루어지기 때문이다. 입력 전류가 흐르는 시점을 기준으로 하여 절체 시점을 측정한 결과 1.2ms 이내에 절체 되는 것을 확인할 수 있다.

그림 13은 제안한 시스템을 각 10kVA에 해당하는 공조 장비를 3대 연결한 상태를 나타낸다. 배터리 모드 시 제안한 시스템의 동특성을 확인하였다.

그림 14는 노말 모드에서의 입ㆍ출력 파형을 나타낸다. 계통 전원을 바이패스 시키기 때문에 과도 상태가 발견되지 않고 공조 장비가 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다.

그림 15는 배터리 모드 시 입ㆍ출력 파형을 나타내는데, 계통 전원이 끊어지는 시점에서 출력 전류의 헌팅이 발생하는 현상이 보였다. 배터리 모드에서 정상 절체와 공조 장비의 동작은 가능하지만, 간헐적으로 공조 장비의 소음이 발생하였다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 전압 제어기와 반복 제어기의 이득 값을 조정하여, 그림 16과 같이 개선된 파형을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서 공조장비용 50kVA 용량의 오프라인 UPS를 제안하였다. 제안한 시스템은 static 스위치, 배터리 충/방전 기능을 위한 양방향 3-Level 인버터, DC/DC 컨버터와 배터리로 구성되며, 3-Level 토폴로지를 사용하여 최대 효율이 기존 제품 대비 2% 이상 높은 95.73%으로 측정되었다.

제안한 시스템은 평상시에 상용 전원을 부하에 직접 공급하여 효율이 97.8%로 온라인 UPS보다 약 5% 높으며, 계통 전원 이상 시 고속 절체 알고리즘을 이용하여 절체 시간은 4msec 이내이다. 배터리에 저장된 에너지를 무순단으로 부하에 안정적으로 공급되는 것을 실험을 통하여 확인하였고, 공조 장비를 연결하여 제안한 시스템의 유용성을 검증하였다.