[인사이트] kt cloud의 꺼지지 않는 심장: 데이터센터 비상발전기 시스템의 모든 것

 

 

[ kt cloud DC동부운용센터 박지현 님 ]

📋 요약

이 글에서는 데이터센터의 무중단 운영을 위한 비상발전기 시스템의 역할과 기술적 요구사항,

그리고 친환경 발전 방식으로의 전환 동향을 다룹니다.

UPS와의 상호 보완 관계, 용량 설계 및 무효전력 제어 등 핵심 설계 조건과 경유·가스터빈·수소연료전지 방식의

특성을 비교하여 안정적이고 지속 가능한 전력 인프라 구축 방향을 정리합니다.

#비상발전기 #데이터센터 #UPS #무효전력 #수소연료전지

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데이터센터 무중단 운영의 비결: 비상발전기

Image: AI-Generated Content

우리가 매일 사용하는 클라우드 서비스, OTT, 온라인 쇼핑이 단 한순간도 멈추지 않고 작동할 수 있는 비결은 무엇일까요? 그 비결은 바로 정전과 같은 최악의 상황에서도 UPS와 함께 전력 공급을 책임지는 데이터센터의 비상발전기(Standby Generator) 덕분입니다. 이번 포스팅에서는 데이터센터가 365일 24시간 안정적으로 운영되기 위해 필수적인 비상발전기 시스템의 특징에 대해서 알아 보겠습니다.

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UPS와 비상발전기의 역할 구분

데이터센터 전력 계통도(자료: Sarma 등(2015))

이전에 설명드린 UPS(Uninterruptible Power Supply)와 비상발전기는 모두 데이터센터의 안정적인 전력 공급을 위해 사용되는 필수 시스템이지만 각각 다른 역할과 목적을 수행하며 서로를 보완합니다.

 

UPS는 서버 등 IT 부하에 가깝게 설치되어 전력 공급의 단기적인 안정성을 담당합니다. 상용 전원에서 정전, 전압 강하와 같은 전력 품질 문제가 발생했을 때, UPS는 축전지에 저장된 전력을 활용하여 즉시 전력을 공급합니다. 즉, 비상발전기가 기동될 때까지의 수 초에서 수십 초에 달하는 기동 시간을 메우는 것이 주된 목적입니다.

 

반면, 비상발전기는 장시간의 안정적인 전력 공급을 목표로 합니다. 비록 기동하여 부하를 인수하는 데까지는 일정 시간이 소요되지만, 일단 가동되면 데이터센터 전체 부하를 장시간 동안 안정적으로 감당할 수 있는 충분한 용량을 공급하는 역할을 수행합니다. 이는 국지적인 사고나 자연재해로 인한 장기적인 상용 전원 장애 발생 시 데이터센터의 지속성을 확보하는 데 결정적인 역할을 합니다.

 

요약하면, UPS는 순간적인 전력 품질 문제에 대응하고 과도 상태를 보조하는 시스템이라면, 비상발전기는 장시간의 전력 공급 책임을 지는 시스템으로서, 두 장치는 상호 보완적으로 작동하여 데이터센터가 가용성을 확보하는 두 축이 됩니다.

구분	UPS	비상발전기
목적	전원 공급 중단 방지를 위한 즉시 백업	전원 공급 유지를 위한 장기 백업
기동 시간	즉시(ms)	짧은 지연 발생(sec)
전력 공급 기간	단기	장기
에너지원	배터리	경유, 천연가스, 수소 등
소음	낮은 소음	소음 발생
배출가스	거의 없음	연료 유형에 따라 다름

비상발전기 및 UPS 비교표(자료: Dale Power Solution)

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안정성 확보를 위한 비상발전기 요구 조건

• 발전기 용량 및 운전 시간 확보
  

비상 발전기의 용량은 전체 데이터 센터의 부하를 감당할 수 있을 만큼 충분히 커야 하며 발전기 운전 시간에 대한 제한이 없어야 합니다. 이는 가장 기본적인 요구사항으로 정전이 발생했을 때 서버, 냉각 장치, 전열/전등 부하 등에 지속적으로 전력을 공급할 수 있도록 발전기의 용량을 설계해야 한다는 의미입니다.

 

발전기 용량이 부족하면, 중요한 장비 중 일부만 공급하거나 발전기가 중단될 위험이 있습니다. 또한 장기간 지속되는 정전 상황에서도 무정전 시스템을 유지하기 위해 발전기가 외부 연료 공급 없이도 최소 24~48시간 이상 연속으로 최대 부하를 운전할 수 있어야 하며 연료를 지속적으로 공급할 수 있는 시스템도 갖추어야 합니다.

• 무효전력 제어 능력
  

부하 조건에 따른 비상발전기 운전 영역(자료: Cummins)

데이터센터의 부하는 정류기 및 UPS와 같은 용량성 장비의 영향으로 일반 부하와 달리 전류 위상이 전압보다 앞서는 진상 역률(Leading Power Factor)을 가질 수 있습니다. 이에 따라 비상발전기는 계자(Field)의 전류를 정격 이하로 낮추어 운전하는 저여자(Under-excitation) 운전을 통해 부하의 무효전력을 충분히 흡수할 수 있어야 합니다. 발전기 시운전 시 실제 부하 테스트를 통해 무효전력 흡수 능력과 이에 따른 온도 상승 등 안정성을 철저히 검증해야 합니다.

• 부하 특성을 고려한 고조파 관리 능력

데이터센터의 비상 발전기는 고조파(Harmonics) 관리 능력을 갖추어야 합니다. 데이터센터에서는 UPS, SMPS와 같은 비선형 부하에 의해 전류 파형에 왜곡이 발생할 수 있으며, 고조파 전류는 전압 왜곡을 야기합니다.

이러한 전압 왜곡은 부하가 생성하는 전류 왜곡과 발전기의 임피던스에 의해 결정되며, 일반적으로 상용 전원 사용 시보다 발전기 운전 시 왜곡이 더 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 비상발전기 선정 시 시스템의 고조파 요구사항을 평가하고, 고조파 전압 왜형률(Total Harmonic Distortion)를 관리할 수 있도록 교류 발전기의 리액턴스 조건을 설정하여야 합니다.

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주요 비상발전기 발전원별 특성 비교

현재 데이터센터의 비상 전원으로 주로 사용되는 경유 발전기는 우수한 신뢰도와 경제성 덕분에 주요 발전원으로 널리 활용되어 왔으나, 화석연료 연소에 따른 온실가스 배출 등 환경 문제를 야기한다는 한계가 있습니다.

 

최근 데이터센터 분야의 ESG 경영 강화 기조에 발맞춰, 무탄소 전원인 수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)와 저탄소 전원인 천연가스(Natural Gas) 기반 가스터빈 발전이 환경 영향을 최소화할 차세대 대안으로 부상하고 있습니다.

구분	경유 발전기	가스 터빈	고체산화물 연료전지
발전원	경유	천연가스(CH4)	수소(H2)
발전 원리	왕복동 내연기관	회전형 내연기관	전기화학 반응
주요 부산물	NOx, SOx 등	NOx, CO2 등	물, 열
기동 시간	매우 빠름(수 초)	보통(수 분 ~ 수십 분)	느림(수 분 ~수십 분)
특징	진동이 크고 배기 설비 필요, 연료 탱크 필요	설치 면적 작음(고밀도)	설치 면적 큼, 수소 공급 인프라 필요

비상발전방식 3종 비교(자료: Department of Energy, Utility Dive, PowerUP)

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발전소 연계형 데이터센터의 부상

하이퍼스케일 데이터센터 증가 추이(자료: 삼정KPMG, Statista)

AI 산업의 폭발적인 성장으로 하이퍼스케일 데이터센터가 급증하면서, 전력 송전망의 과부하 등 안정성 문제가 대두되고 있습니다. 과부하는 주로 바닷가에 집중된 발전소에서 생산된 전력을 수요처까지 이동시키는 과정에서 발생하는데, 이에 대한 대안으로 발전소 연계형 데이터센터가 주목받고 있습니다.

 

평상시에는 데이터센터 인근에 위치한 발전소로부터 전력을 직접 공급받고, 비상시에만 계통망을 통해 전력을 수전받는 방식입니다. 최근에는 해당 시스템의 효율과 안정성을 극대화하기 위해, 앞서 설명드린 가스터빈의 기동성과 수소 연료전지의 친환경성을 결합한 하이브리드 발전 방식이 활발히 연구되고 있습니다.

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결론: 지속 가능한 미래를 위한 전력 인프라

지금까지 살펴본 바와 같이, 데이터센터의 비상발전기는 UPS와 상호 보완하며 정전 시 최후의 보루 역할을 수행하는 핵심 설비입니다. 안정적인 데이터센터 운영을 위해서는 단순히 용량을 확보하는 것을 넘어, 부하 특성에 최적화된 기술 검토와 철저한 납품 전 성능 검증이 필수적입니다.

Image: AI-Generated Content

kt cloud는 20년 이상의 비상발전기 운용 경험을 기반으로 전문 인력들이 사전 검토와 성능 검증을 수행합니다.

도입 이후에도 최상의 설비 상태를 유지할 수 있도록, 고도화된 정밀 진단과 선제적인 유지보수를 통해 안정성을 보장합니다.

 

 

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. UPS가 있는데 왜 비상발전기가 따로 필요한가요?

A. UPS(무정전 전원 장치)는 배터리를 사용하여 정전 발생 즉시 전력을 공급하지만, 그 지속 시간은 수 분에서 수 십분 정도로 짧습니다. 반면 비상발전기는 연료가 공급되는 한 24시간 이상 장기간 전력을 공급할 수 있습니다. 따라서 UPS는 발전기가 가동될 때까지의 '골든타임'을 벌어주고, 이후의 장시간 전력 공급은 비상발전기가 담당하는 상호 보완적인 관계입니다.

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📚 관련/출처

(PDF) Data Center Energy Systems: Current Technology and Future Direction Specifying Standby Generator Set Requirements for Data Centers｜Cummins The Differences Between UPS Systems & Generators | Dale Power Solutions Future-proofing Data Centers: Insights from 20 years of air permitting leadership Comparison of Fuel Cell Technologies | Department of Energy Combustion engine vs. Aeroderivative gas turbine: Six elements of dispatching - Wärtsilä Why fuel cells are redefining on site power for data centers | Utility Dive Alternatives to Diesel Generators: A Comparison for Industry Decision-Makers - PowerUP Energy Technologies Generational Growth AI, data centers and the coming US power demand surge The era of electricity 두산퓨얼셀, AI·데이터센터 전력공급 공동전선 구축 Powering AI: Data Centers’ Growing Need for Energy and What it Means for the Grid