[기술분석] AI 데이터센터 고조파 원인과 전력 품질 대책

 

 

[ kt cloud DC서부운용센터 서동진 님 ]

📋 요약

이 글에서는 AI 데이터센터에서 발생하는 고조파의 원인과 전력 품질 대책을 다룹니다.

안정적인 전력 운영과 설비 장애 예방을 위한 실무적 판단 기준을 정리합니다.

#AI데이터센터 #고조파 #전력품질 #SMPS #능동필터

 

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먼저 짚고 넘어갈 부분이 있습니다. 고조파와 고주파는 서로 다른 개념입니다.

고주파는 수십 kHz 이상의 고속 스위칭 노이즈로 EMI 문제에 해당하고, 고조파는 기본파 60Hz의 정수배 주파수 성분이 전력 계통에 섞이는 현상입니다. 같은 SMPS에서 두 가지가 동시에 발생할 수 있지만, 영향도 다르고 대책도 다릅니다.

이 글에서는 고조파만 다룹니다.

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🌐 왜 AIDC에서 고조파가 심각한가

AI 데이터센터(AIDC)에 집적된 서버 장비는 거의 예외 없이 SMPS(Switching Mode Power Supply)를 사용합니다. SMPS, UPS, VVF 인버터, 정류기 등은 모두 비선형 부하(Nonlinear Load)에 해당하며, 전원 전압이 정현파임에도 비정현파 전류를 흡입합니다.

 

이를 푸리에 급수로 분해하면 기본파 60Hz에 더해 5·7·11·13차 고조파와 3차 고조파가 발생합니다. 이 중 5·7·11·13차는 주로 상전선에 영향을 주고, 3차 고조파는 중성선에 집중됩니다. 두 고조파 군은 전력계통에 미치는 영향과 대책이 근본적으로 다릅니다.

 

생성형 AI를 통해 이미지 생성

💡 핵심 포인트: 고조파 차수 n = 6k±1(k=1,2,3…)인 5·7·11·13차는 주로 상전선에 흐르지만, n = 3k인 3·9·15차 영상 고조파는 3상에서 합산되어 중성선에 집중됩니다. 따라서 영향과 대책을 분리해서 접근해야 합니다.

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Part.1 - 5·7·11·13차 — 역상·정상 고조파의 케이블·변압기·역률 영향

⚡ 발생 원인

① 철심 자기포화에 따른 여자전류의 비정현파화

변압기 철심의 B-H 특성은 비선형입니다. 정현파 자속에 대해 여자전류가 비정현파로 왜형되며, 이때 3·5·7차 고조파 전류가 발생합니다. 특히 포화 정도가 심할수록 고차 고조파 성분이 증가합니다.

 

② 비선형 부하(Nonlinear Load)

AIDC에서 가장 큰 비중을 차지하는 고조파 발생원입니다. 다이오드·SCR·IGBT 등의 전력반도체를 이용한 정류회로는 교류 전압의 일부 구간에서만 전류를 흡입하므로, 전류파형이 충격파(pulse) 형태로 왜형됩니다.

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구분	주요 기기	발생 고조파
비선형 부하	UPS, VVF 인버터, 조상용 정류기, 아크 용접기, SMPS	5차7차11차13차
철심 자기포화	변압기, 전동기	3차5차7차

🔥 영향

① 실효저항 증가에 의한 케이블 열화

교류 도체의 실효저항은 직류저항에 표피효과 계수 λs와 근접효과 계수 λp를 더해 산출됩니다. 고조파 전류는 주파수를 높이는 효과가 있어 두 계수를 모두 증가시킵니다.

실효저항 산출식r = r₀ × k₁ × kₐ = r₀ × k₁ × (1 + λs + λp)

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② 변압기 손실 증가

고조파 전류는 변압기 철심의 손실을 크게 증가시킵니다. 주파수에 비례하거나 주파수의 제곱에 비례하는 손실식을 보면 그 심각성을 확인할 수 있습니다.

 

🌀 히스테리시스손(Hysteresis Loss)

Ph = kh · f · Bm1.6 [W/m³]
주파수에 비례하여 증가합니다.

 

⚡ 와류손(Eddy Current Loss)

Pe = ke(t · f · kf · Bm)² [W/m³]
주파수의 제곱에 비례하여 증가합니다.

⚠️ 와류손은 주파수의 제곱에 비례하므로, 5차 고조파 300Hz에서는 기본파 대비 25배, 7차 고조파 420Hz에서는 49배로 급증합니다. 따라서 변압기 용량 산정 시 고조파 부하율, 즉 K-factor를 반드시 고려해야 합니다.

 

③ 역률 저하 — 변위역률 vs 왜형역률

일반적으로 인식하는 역률은 위상각에 의한 변위역률입니다. 하지만 고조파에 의한 역률 저하는 전류 파형의 왜형, 즉 THD에서 비롯됩니다. 이 둘은 원인이 다르므로 콘덴서로 보상할 수 없습니다.

종합 역률(True Power Factor)
cosθ' = 1 / √(1 + THDi²) × cosθ

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🛡️ 대책

① 수동필터(Passive Filter)

L-C 직렬 회로를 특정 고조파 주파수에 공진시켜 해당 고조파를 단락·흡수하는 방식입니다. 단일동조필터(Single-tuned Filter)는 구조가 단순하지만 특정 차수 하나만 제거할 수 있고, 고차필터(High-pass Filter)는 특정 차수 이상의 고조파를 광대역으로 감쇠시킬 수 있습니다. 설비비가 낮다는 장점이 있지만, 계통 임피던스와 공진 위험을 고려해야 합니다.

 

② 능동필터(Active Power Filter, APF)

부하 전류를 실시간으로 측정하여 고조파 성분과 역상의 보상 전류를 인버터로 주입하는 방식입니다. 부하 변동에 추종할 수 있고 광대역 고조파를 유연하게 제거할 수 있어, AIDC처럼 부하 변동이 큰 환경에 적합합니다.

 

③ 다펄스 정류기(Multi-pulse Rectifier)

다펄스 정류기는 정류기의 펄스 수 p를 늘려 발생 고조파 차수를 높이는 방법입니다. 고조파 차수가 높아질수록 고조파에 의한 영향은 상대적으로 줄어듭니다. 발생 고조파는 n = mp ± 1(m=1,2,3…)의 법칙을 따릅니다.

정류기 형식	발생 고조파 차수	최저 차수
6펄스 (표준)	5,7,11,13,17...	5차 (300 Hz)
12펄스	11,13,23,25...	11차 (660 Hz)
24펄스	23,25...	23차 (1380 Hz)

 

④ ACL / DCL 적용

ACL(AC Line Reactor)은 컨버터 교류 입력 측에, DCL(DC Link Reactor)은 컨버터와 인버터 사이 DC 링크에 직렬로 삽입하는 리액터입니다. 전류 상승률(di/dt)을 제한하여 펄스성 고조파 전류를 평활하게 만들며, 구조가 단순하고 신뢰성이 높습니다.

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⑤ UPS 내장 고조파 저감 기능

🔋 현대 UPS에는 다음과 같은 고조파 대책 기능이 내장되어 있습니다.

• PFC(Power Factor Correction) 회로 — 입력 전류를 전압과 동위상으로 유지하여 THD를 5% 이하로 억제합니다.
• DSP 기반 능동 필터 내장형 UPS — APF 기능을 통합하여 별도 장치 없이 고조파를 저감할 수 있습니다.
• 12·18펄스 입력 정류기 채용 — 6펄스 대비 입력 THD를 약 3~5% 수준으로 대폭 저감합니다.
• IGBT 고속 스위칭 컨버터 — 고주파 PWM으로 전류파형을 정형화합니다.

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Part.2 - 제3고조파 — 영상 전류의 중첩과 중성선 과전류 대책

🔴 발생 원인 — 제3고조파의 영상 합산

3상 평형 계통에서 기본파 1차와 5·7차 역상·정상 고조파는 각 상의 성분이 벡터적으로 서로 상쇄되어 중성선에는 흐르지 않습니다. 그러나 3차 고조파와 9·15차 등 3의 배수 고조파는 영상분(零相分)으로서 A·B·C 3상이 모두 동위상(同位相)입니다.

 

따라서 중성선에서는 3상이 상쇄되지 않고 오히려 합산됩니다. 이론상으로는 상전류의 최대 3배 크기의 3고조파 전류가 중성선에 흐를 수 있습니다.

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⚠️ 영향

① 중성선 전류 확대 및 과전류

단상 전력변환장치, 예를 들어 SMPS나 충전기 등이 다수 설치된 AIDC 분전반에서는 중성선 전류가 상전선 전류를 초과하는 사례가 자주 발생합니다. 이는 중성선 과열, CB 트립, 중성선 소손으로 이어질 수 있으며, 같은 경로로 포설된 통신선에도 유도장해를 일으킬 수 있습니다.

 

② 중성점 전위 상승

중성선에 고조파 전류가 흐르면 중성선 임피던스 XL과의 전압강하에 의해 중성점 전위가 대지전위에서 벗어납니다.

중성점 전위 상승
VN = n × XL × IN

 

중성점 전위 상승은 부하의 전압 불평형, 기기 오동작, 절연 열화를 유발할 수 있습니다.

🛡️ 대책

① Zig-Zag 결선 변압기

지그재그 변압기는 각 철심 다리에 두 권선을 서로 역방향으로 감아 결선한 특수 변압기입니다. 영상전류, 즉 3차 고조파에 대해서는 두 권선의 기자력(MMF)이 서로 상쇄되어 임피던스가 매우 낮아지므로, 3고조파 전류를 변압기 내부에서 순환시켜 계통으로 유출되는 것을 막을 수 있습니다.

 

기존 변압기와 함께 하이브리드 결선으로 구성할 수도 있으며, 영상고조파를 최대 90% 이상 저감할 수 있습니다.

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② NCE(영상전류제거장치, Neutral Current Eliminator)

NCE는 부하에서 발생한 3고조파 영상전류를 계통에 흘리지 않고 장치 내부에서 순환·소멸시키는 능동형 장치입니다. 고조파 발생 부하에 가장 근접하여 설치하는 것이 효과적이며, 용량은 중성선 전류의 2배로 선정합니다.

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③ 중성선 굵기 증대

3고조파 전류가 상당한 경우 중성선의 단면적을 상도체보다 크게 해야 합니다. IEC 및 국내 기준에서는 중성선 보정계수를 규정하고 있습니다.

3고조파 전류 비율	중성선 보정계수	조치 사항
33% ~ 45%	0.86	상도체 단면적을 보정계수로 나누어 증대 선정
45% 이상	1.0	중성선 단면적 = 상도체 단면적 이상으로 선정

📐 실무 팁: AIDC 서버룸 분전반의 경우 단상 SMPS 부하가 밀집되어 3고조파 비율이 45%를 초과하는 사례가 흔합니다. 이 경우 중성선은 상도체와 동일하거나 그 이상의 굵기로 포설해야 하며, 4요소 차단기 대신 3요소 차단기 사용도 고려해야 합니다.

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종합 정리

구분	상전선 고조파 (5·7·11·13차)	중성선 고조파 (3차)
발생원	UPS, 인버터, SMPS, 아크 용접기 등 비선형 부하	단상 SMPS 부하 (3상 동위상 합산)
주요 영향	케이블 실효저항↑, 변압기 손실↑, 역률저하	중성선 과전류, 중성점 전위상승, 통신 유도장해
대책	수동·능동 필터, 다펄스 정류기, ACL/DCL, UPS PFC	Zig-Zag 변압기, NCE, 중성선 굵기 증대
역률 관계	왜형 무효분(D) 발생 — 콘덴서 보상 불가	중성선 임피던스에 의한 전압변동

 

 

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 왜 중성선 전류가 상전선보다 커질 수 있나요?

A. 3차 고조파는 영상분으로 A·B·C 3상이 동위상이어서 중성선에서 상쇄되지 않고 합산됩니다. 이론상 최대 상전류의 3배까지 흐를 수 있습니다.

Q. AIDC에서 가장 효과적인 고조파 대책은?

A. 상전선: APF(능동필터) 또는 12펄스 이상 정류기. 중성선: NCE 또는 Zig-Zag 변압기. UPS 선정 시 PFC 내장 모델을 우선 검토합니다.

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📚 관련/출처

국제 표준IEEE Std 519-2022 — Recommended Practice for Harmonic Control in Electric Power Systems국제 표준 IEC 61000-3-2 — Limits for harmonic current emissions국제 표준 IEC 60364-5-52 — Wiring systems (중성선 단면적 보정계수 기준)국내 기준 KEC(한국전기설비규정) — 전선 단면적 및 고조파 관련 조항기술 문헌 J. Arrillaga, N.R. Watson — Power System Harmonics (2nd ed.), Wiley, 2003기술 문헌 Alexander Kusko, Marc Thompson — Power Quality in Electrical Systems, McGraw-Hill, 2007시험 기준 IEC 61000-4-7 — Measurement techniques of harmonics and interharmonics