데이터센터 기본용어-6

발전기 (Generator) (2)

발전기 전원은 상용전원에 비해 전기적으로는 임피던스가 높은 전원이기 때문에 전기적인 안정성이 낮아 설계적으로 고랴해야 할 부분이 있습니다. 우선 발전기가 비선형 부하 (Non-Liner laod)에 전원을 공급하면 고조파 전류가 흐르게 되고 고조파 전류량이 발전기 제조사가 허용하는 범위를 넘어서면 발전기 출력전원의 왜형율이 높아지게 되어 발전기 출력 안정성이 떨어지게 되므로 발전기 용량선정 시 이를 고려해야 합니다.

 

전력회사의 정전으로 UPS 시스템 및 냉방설비에 발전기 전원 공급 시 UPS는 Ramp-in(=Walk-in)을 통해 서서히 배터리 모드에서 정상모드로 전환시키며 냉방설비는 재가동을 필요로 하게 됩니다. 냉동기와 같은 주요 냉방 시스템 재가동 시에는 일시적으로는 큰 기동전류 (Inrush current)가 발생하는데 이때 발전기 출력에는 기동전류로 인한 전압과 주파수 변동이 수반됩니다. 발전기 용량이 부하 용량에 비해 상대적으로 크다면 전압 및 주파수 변동 값이 낮아 문제 되지 않겠지만 실제 시운전 과정에서 보면 전압, 주파수 변동으로 다양한 이슈가 발생하게 됩니다.

 

UPS의 초당 허용 주파수 변화율인 Slew-rate 세팅은 보통 1Hz/sec입니다. 발전기는 정격의 25,50,75,100%의 스텝부하 인가량에 따라 전압과 주파수가 변동됩니다. UPS는 상대적으로 입력전원 전원 품질에 민감한 장비이기 때문에 발전기 출력단에서 급작스런 부하변동으로 발생하는 전압, 주파수 변동을 감지하면 UPS는 스스로 입력을 분리하고 배터리 방전모드로 전환됩니다. 또한 UPS가 발전기 전원으로 전력을 공급받는 상황에서 발전기 전원의 주파수 Slew-rate가 UPS의 허용치를 초과하게 되면 UPS 내부 바이패스로 절체가 되지 않는 경우도 발생하게 됩니다. 중요한 것은 발전기 부하 인가량에 따른 전압 및 주파수 변동 범위를 확인하고 발전기에 인가되는 스텝부하를 가능한 낮게 해야 한다는 것입니다.

 

다음으로는 진상무효전력 (Capacitive reactive power)입니다. 데이터 센터에는 다수의 UPS 설비가 있고 발전기는 UPS를 포함한 모든 설비에 전력을 공급합니다. UPS는 부하율이 낮은 경우 입력 측 필터로 인해 입력 측으로 진상무효전력을 발생시킵니다. 지상역률 부하에서 발전기는 상당히 넓은 범위에 걸쳐 안정적인 전원공급이 가능하지만 진상역률 부하에서는 발전기의 출력 전압이 상승하고 일정 범위를 넘어가면 제어가 되지 않습니다. 발전기는 출력 전압 제어가 되지 않기 때문에 자체 보호를 위해 역전력 계전기로 진상무효전력 성분을 감지하여 출력 차단기를 차단시킵니다. 이러한 현상은 단계별로 구축되는 데이터 센터에서 초기 UPS 설치대수는 많으나 상대적으로 발전기 설치 용량이 낮아 발전기 공급용량 대비 UPS에서 발생하는 진상무효전력의 비율이 높아지기 때문입니다.

 

예전 UPS 정류부에 SCR 소자를 사용했을 때는 UPS 입력 측에 상대적으로 큰 용량의 고조파 전류억제 필터가 설치되었고, UPS 저부하 운전 시 필터의 진상무효전력 성분으로 발전기-UPS 운전에 많은 문제가 있었으나 UPS 정류기에 IGBT 소자를 사용하면서 진상무효전력 이슈가 많이 개선되어 온 측면이 있습니다. 그러나 지금은 UPS 설비 외에도 항온항습기, 펌프, 팬 등에 인버터가 적용되고 있어 진상무효전력이 추가적으로 발생하고 있으며 시운전 시 반드시 테스트를 통해 검증하도록 하여야 합니다.