[기술리포트] 데이터센터에서 UPS의 역할: 데이터센터가 정전에 대비하는 방법

 

 [ kt cloud DC동부운용센터 박지현 님 ] 

 

UPS란 무엇일까?

정전(停電)이란 사전적 의미로 전력 공급이 중단된 상태를 말합니다. 현대 사회에서 전력 공급이 중단된다면 어떤 일이 일어날까요? 일상 생활에서는 정전으로 인해 조명이 꺼지고 가전 제품의 작동이 중단되어 생활에 큰 불편을 겪게 됩니다. 사회적으로는 각종 기반 시설들이 셧다운(Shutdown)되어 혼란을 유발하고 큰 경제적 손실이 발생할 수 있습니다.

 

데이터센터(Data Center)는 여러 산업의 주요 데이터가 모여 있는 곳으로, 전력 공급이 중단되어 데이터 손실이 발생되거나 서버에 영구적인 손상이 발생하는 것을 방지하기 위해 무정전 전원 공급 장치 시스템(UPS, Uninterruptible Power Supply System)을 운영하고 있습니다.

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kt cloud DC(자료: kt cloud)

UPS의 구성 및 동작 원리

UPS는 전력 공급 사업자로부터 상용 전원 공급이 중단되어도 배터리에 저장된 에너지를 통해 중단 없이 전력을 공급하는 역할을 수행합니다. UPS는 정류기(Rectifier), 축전지(Battery), 인버터(Inverter), 동기 절체 스위치(Static Switch), 유지보수용 스위치(Maintenance Switch)로 구성되어 있습니다.

 

UPS의 구성요소로서 상용 전원이 정전되었을 때 부하에 에너지를 공급하는 축전지는 직류(DC) 전력을 저장하기 때문에, UPS는 상용 전원의 교류(AC)를 직류(DC) 전원으로 그리고 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환하는 과정이 필요합니다.

UPS의 전력 변환 과정(자료: opentutorials, kt cloud)

• UPS의 구성

Double Conversion UPS 구성도(자료: Schneider Electric, kt cloud)

1. 정류기(Rectifier)

정류기는 상용 전원으로부터 공급받은 60Hz의 교류 전원을 직류로 변환하여 인버터나 축전지(DC/DC 컨버터)로 공급하는 역할을 수행합니다.

 

2. 인버터(Inverter)

인버터는 정류기나 축전지로부터 공급받은 직류 전원을 교류로 변환하여 부하로 공급하는 역할을 수행합니다. 그 과정에서 출력 전류의 전압과 주파수를 일정하게 유지하여 양질의 전력을 부하로 공급하는 역할도 수행합니다.

 

3. 축전지(Battery)

축전지는 상용 전원이 공급될 때 충전을 통해 에너지를 저장하며 상용 전원 공급이 중단되었을 때 방전을 통해 부하에 전력을 공급합니다.

 

4. DC/DC 컨버터(DC/DC Converter)

평상시 정류기의 DC 전원을 받아 축전지를 충전하며, 정전 시 축전지 전원을 받아 DC전원을 인버터에 공급하여 양방향으로 전력을 공급하는 역할을 수행합니다.

 

5. 동기 절체 스위치(Static Bypass Switch)

동기 절체 스위치는 UPS의 인버터 고장 시 부하의 성능 유지에 문제가 없도록 상용전원으로 4ms 이내 무순단 전환을 수행하는 장치입니다.

• UPS의 동작 원리

평상시 UPS의 전원 공급 흐름(자료: Scheneider Electric, kt cloud)

평상시 UPS는 교류 상용전원이 입력되면 정류기를 통해 직류 전원으로 변환하여 인버터를 통해 부하로 전원을 공급함과 동시에 축전지를 충전하여 에너지를 저장합니다.

정전 시 UPS의 전원 공급 흐름(자료: Scheneider Electric, kt cloud)

정전 발생 시 UPS는 축전지에 저장된 직류 전기에너지를 인버터를 통해 교류 전원으로 변환하여 부하 측으로 공급합니다.

동기 절체 시 UPS의 전원 공급 흐름(자료: Scheneider Electric, kt cloud)

UPS의 정격 용량을 초과하는 과부하나 UPS 내부 고장 발생 시에 동기 절체 스위치를 통해 출력을 상용 전원으로 무순단으로 절체하여 부하 측으로 전원을 공급합니다.

수동 절체 시 UPS의 전원 공급 흐름(자료: Scheneider Electric, kt cloud)

UPS 장비의 고장이나 유지보수 시 수동 바이패스 스위치를 통해 수동으로 전원을 절체하여 부하 측으로 상용 전원을 공급할 수 있습니다.

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UPS 용량 산정 방법

• 용량(Capacity)

전력은 실제 열, 빛, 기계적 에너지로 변환되어 일을 하는지 여부에 따라 유효전력(Active Power)과 무효전력(Reactive Power)로 구분됩니다. 피상전력(Apparent Power)은 유효전력과 무효전력을 포함하는 총 전력을 의미합니다. 피상전력에 대한 유효전력의 비율을 역률(Power Factor)이라고 하는데, 부하 역률에 따라 UPS의 설계 용량이 달라지게 됩니다.

전력 삼각형(자료: 전력경제신문)

다음 예시를 보면 부하 역률이 저하될수록 동일 부하(kW)를 공급할 때 더 큰 UPS 용량(kVA)이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 역률이 1.0일 때는 100kW의 부하를 공급하기 위해 필요한 설비 용량은 100kVA이지만, 역률이 0.8이 되면 125kVA로 25% 증가함을 확인할 수 있습니다.

 

조건	유효전력(kW)	피상전력(kVA)
역률 1.0	100	100
역률 0.9	100	111
역률 0.8	100	125

추가적으로 UPS의 용량은 향후 부하 증설 가능성, 돌입 전류, 고조파 왜곡 등의 영향을 고려해야 하기 때문에 설치되는 시스템의 상황에 맞는 여유율(a)을 고려하여 산정하게 됩니다.

 

• 정전보상시간(Back-up Time)

UPS의 정전보상시간은 축전지 용량, 부하 전력, 효율 등에 따라 결정되게 됩니다. 축전지 용량(Ah)은 축전지가 1시간 동안 공급할 수 있는 전류량을 나타냅니다. 완전히 충전된 100Ah의 축전지는 100A의 전류를 1시간 동안 또는 10A의 전류를 10시간 동안 공급할 수 있음을 의미합니다.

예를 들어 용량 100Ah, 전압 2V의 축전지 10Cell이 직렬 구성되어 있고 축전지 효율이 100%인 경우, 부하의 소비 전력이 500W일 때 정전 보상 시간은 4시간으로 구할 수 있습니다.

다른 조건은 동일하게 축전지 용량을 200Ah로 높이게 되면, 정전 보상 시간은 8시간으로 증가함을 확인할 수 있습니다. 이를 통해 축전지 용량이 UPS 정전 보상 시간에 미치는 영향을 알 수 있습니다.

축전지 용량 선정 시에는 UPS 및 부하 특성에 따른 축전지 방전전류와 필요 정전보상시간을 고려하여, 적합한 성능을 낼 수 있는 용량을 산정하여야 합니다.

축전지 용량 선정 차트 예시(자료: 세방전지)

다만 UPS의 실제 성능은 위 요소 이외에도 다양한 요소에 영향을 받으므로 UPS 시스템 설계 시에는 각 제품별 세부 특성과 시스템 환경에 대한 면밀한 검토가 필요합니다.

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안정적인 데이터센터 구현을 위한 노력

UPS는 데이터센터의 안정적인 운용과 서비스 유지를 위한 핵심 장비입니다.

UPS 시스템의 신뢰성을 높이기 위해서는 UPS의 구성과 동작 원리를 올바르게 이해하고 해당 시스템에 적합한 맞춤형 설계를 통해 안정적이고 효율적인 시스템을 구축해야 합니다.

kt cloud는 20년 이상의 안정적인 데이터센터 운용 경험을 보유하고 있으며,

맞춤형 설계와 최신 기술 도입을 통해 고객 니즈에 최적화된 데이터센터를 제공하고 있습니다.

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[관련/출처]

https://unifiedpowerusa.com/ups-load-and-runtime-calculator/ https://blog.naver.com/alone2am/223677193588 https://opentutorials.org/module/4391/26985 https://youtu.be/E2KZF_Oe8Bg?si=tRvQLDTTdydbvTQB https://www.gbattery.com/product/industry?idx=10&lang=ko