1. 서 론

코로나19 팬데믹으로 세계가 순식간에 온라인으로 전환함에 따라 비즈니스와 일상의 모든 분야에서 데이터센터의 중요성과 그에 대한 의존도가 빠르게 증가하고 있다. 또한 통신장비는 인터넷의 발달과 이동통신의 발달 및 각종 매체의 발전에 의하여 고출력, 고정밀화 되어 가고 있다. 이동통신의 경우 2016년 기준으로 6,105만명이 휴대전화를 사용하고 있으며, 초고속인터넷 가입자수는 2016년 기준으로 2,048만명으로, 이를 수용하기 위한 시설들이 전국 곳곳에 설치되어 가고 있으며 최근에는 5G의 보급 확대로 지속적으로 증가하고 있다. 2015년 기준 국내 약 124개 데이터센터가 운영 중에 있으며, 소규모 전산실은 약 1,000개 이상으로 추정되고, 124개 데이터센터의 연간 총 적산전력 사용량은 약 26.5억kWh로 2013년 기준 연간 산업용 전력 소비량인 2,600억kWh의 1%, 2014년 기준 국내 원전 1기 전력생산량의 약 40%에 해당한다⁽¹⁾.

서버룸 랙(rack)의 현재 평균 전력 사용량으로는 4 kW 이하가 75.6%, 5～8 kW가 17.8%로 대부분의 데이터센터에서 랙당 8 kW 이하의 전력을 사용하고 있으며, SK텔레콤(주)는 5G의 도입으로 랙당 8kW 이상의 고발열 서버의 수요가 증가하고 있어 서버룸의 온도를 낮추는데 더 많은 전력이 사용될 것으로 예상된다. 데이터센터의 월별 전기사용량이 가장 많은 달은 7월로 전체의 35%를 차지하는 것으로 나타났으며, 하절기인 7월과 8월에 전체 전력사용량의 57%에 달하는 것으로 확인된다. 이는 서버의 발열로 인하여 서버룸의 온도는 낮추는데 주로 전력이 사용됨을 의미한다. 2018년 11월 발생한 KT 아현지사의 화재 사고에서 알 수 있듯이 서버 장애가 발생하면 인터넷, 휴대폰 무선통신 등을 이용할 수 없으므로 금융활동, 병원의 응급활동 등이 멈춰 막대한 피해가 발생하므로 데이터센터는 UPS를 이용하여 평상시 서버에 전력을 공급하면서 배터리를 충전하였다가 정전이 발생하면 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 서버에 전력을 공급하여 안정적으로 운영을 한다. 최근 고발열 서버가 증가하면서 5분이내의 정전이 발생하여도 서버룸의 온도가 급격히 상승하여 서버의 장애 발생 요인이 증가하므로 공조장비에도 UPS를 사용하여 정전에 대비하는 데이터센터가 증가하고 있다. 정부에서는 “공공기관 에너지이용합리화 추진에 관한 규정” 제11조 5항에 계약전력 1,000kW 이상의 건축물에 계약전력 5% 이상 규모의 에너지저장장치를 설치하도록 규정하여 신규 건축물은 ESS 설치를 의무화 하고 기존 건축물의 경우 2023년까지 ESS 설치하도록 하고 있다. 또한 한국전력공사는 ESS 활용촉진 요금제도를 신설하여 ESS를 설치하면 요금을 할인을 하여 ESS의 설치를 장려하고 있다.

무정전전원장치(UPS : Uninterruptible Power Supply)는 산업용 첨단 장비, 의료기기, 컴퓨터, 금융, 데이터 센터 등 정전 및 전압 변동에 민감한 부하에 안정적인 전력을 공급하는 역할을 하며 입력전압과 출력전압의 종속성에 의해서 크게 Passive-Standby, Line-Interactive, Double-Conversion 방식으로 구분된다^(2-4). 국내의 경우 높은 안정성 및 신뢰성을 위해서 대부분 이중변환방식의 UPS를 사용한다. 일반적인 3상 이중변환 UPS는 정류기, 인버터, 충/방전기, 배터리로 구성되며 평상시 배터리를 충전하고 정전 시에 배터리에 충전된 에너지를 이용하여 부하에 전력을 공급한다^(5-6).

본 논문에서는 ESS 기능을 갖는 3레벨 토폴로지 기반의 고효율 하이브리드 UPS를 제안한다. 제안한 하이브리드 UPS는 이중변환 방식으로 평상시에는 인버터를 기동하여 부하에 안정적인 전력을 공급하면서 배터리를 충전시켰다가 계통 전원이 불안정하거나 정전 시에는 자동으로 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 부하에 무순단으로 전력을 공급한다. 그리고 ESS 기능이 필요한 전력 부족시나 첨두부하시 또는 사용자의 편의에 의해서 ESS 기능 필요시에 계통 전원과 배터리 전원을 동시에 사용하여 부하에 전력을 공급하여 전력을 관리할 수 있는 장점이 있다. 또한 역률 개선 필요시에는 입력 전류의 위상을 조정하여 개통의 역률을 개선할 수 있다. 끝으로 실험을 통하여 제안한 시스템의 유용성을 확인한다.

2. 제안한 하이브리드 UPS

3. 실험 결과

Fig. 6은 제안한 하이브리드 UPS와 이를 검증하기 위한 FLUKE 435 전력 분석계 및 HIOKI의 Memory Hi Corder를 이용하여 측정하였다.

Fig. 7과 8은 제안한 하이브리드 UPS의 600kVA용량에 대한 입력 및 출력 전력 측정된 결과를 나타낸다. Fig. 7은 75% 부하시 정상모드의 입력 및 출력 전력을 측정한 결과이다. 이때, 측정된 입력 전력은 416.8kW이고, 출력 전력은 405.98kW이므로 효율은 97.4%이다. Fig. 8은 전부하시 정상모드의 입력 및 출력 전력을 측정한 결과이다. 입력 전력은 527.4kW, 출력 전력은 513.23kW이므로 효율은 97.3%이다.

Fig. 9는 250∼600kVA 하이브리드 UPS의 부하에 따른 효율을 비교한 그래프로, 500kVA 용량에서 최대 효율 97.73%로 측정되었다.

Fig. 10은 입력 단에 180kVAR의 지상부하가 연결되었다고 가정했을 때, 진상 무효전력을 발생하여 계통 역률을 조정한다. Fig. 11은 입력 측에 240kVAR의 진상부하를 발생되었다고 가정했을 때, 지상 무효전력을 발생시켜 계통 역률을 보상한 결과이다. 따라서, 계통 전원이 진상 혹은 지상 무효전력 발생 시 무효 전력제어를 통해 계통 역률이 1로 되도록 개선할 수 있다. Fig. 10과 11의 (b)는 출력전력을 나타내는데, 무효전력제어를 수행함에 있어서 인버터에 독립적으로 동작하기 때문에 출력 역률에 영향을 끼치지 않고 항상 출력 역률은 1로 제어된다.

Fig. 12는 제안한 하이브리드 UPS가 정상모드 ↔ 바이패스 모드로 전환될 때 파형을 나타낸다. Fig. 12의 (a)는 정상모드에서 바이패스로 절체시, (b)는 바이패스에서 정상모드로 절체시의 각 절체시간은 1.2ms과 1.7ms로 측정되었고, 절체시간이 4ms이내이므로 무순단 절체가 되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13은 정전 순간의 입/출력 파형을 나타내는 데, 정전에서의 배터리 에너지의 공급으로 인버터가 안정적인 출력전압을 생성하여 부하에 전력을 공급하는 출력파형이다. Fig. 14는 정전이후 계통전원이 다시 공급되는 시점의 입/출력파형이고, 계통전원이 투입 후 정류기가 즉시 동작하는 것이 아니라 일정시간이 지난 후 정류기가 동작하고 배터리 에너지의 공급을 중지한다.

4. 결 론

본 논문에서는 ESS 기능을 갖는 대용량 하이브리드 UPS를 제안하였다. 제안한 시스템은 정류기와 인버터를 TNPC 3-레벨 토폴로지로 설계하여 효율을 높였고 파워 스택을 모듈화 하여 전력밀도를 높여 제품의 사이즈를 줄였다. 제안한 시스템은 ESS 모드 1, 2로 동작하여 부하 및 상용 전원단으로 전력을 공급할 수 있어 다양한 부하에 ESS 모드를 적용시킬 수 있다.

끝으로 실험을 통하여 정상모드에서의 최대 효율이 97.73%이고, 정상모드에서 우회로 모드로 절체시 4ms 이내인 무순단으로 전력의 부하에 공급하고, 계통전원 차단이 되어도 배터리의 공급으로 인버터가 안정적인 출력전압을 부하에 공급한다. 또한, 무효전력을 조정하여 역률을 ‘1’로 개선함으로써 제안한 시스템의 우수성을 확인하였다.