2.1 On-line UPS의 기술적 특성

On-line UPS는 입력 전원을 상시 변환하여 부하에 공급하는 이중변환(Double Conversion) 방식의 무정전 전원공급장치이다. 그림 1-(C)와 같이 교류(AC) 전원이 UPS에 입력되면 정류기, 인버터를 거쳐 부하로 공급된다. 해당 과정에서 UPS는 배터리를 항상 충전 상태로 유지하며, 전원 장애가 발생하면 인버터가 즉시 배터리로부터 전력을 공급하여 부하를 무중단으로 유지한다. 이 방식의 가장 큰 특징은 부하가 항상 인버터를 거쳐 전력을 공급받는다는 점이다. 이에 따라 입력 전원에서 발생할 수 있는 전압 강하, 서지, 고조파 등 전력품질 문제를 효과적으로 차단할 수 있으며, 민감한 IT 장비에도 안정적인 전압과 주파수를 유지해 공급할 수 있다. 또한 On-line UPS는 짧은 응답 시간(수 ms 이하)과 높은 출력 품질(THD < 3%)을 제공하므로, 정전·순간전압강하(Sag)·순간정전(Swell) 등 다양한 전력장애 상황에서도 안정성을 보장한다. 대규모 데이터센터에서는 이러한 특성을 기반으로, IT 부하의 안정적인 운영뿐 아니라 전력망 유연성 자원으로서의 잠재적 활용 가능성까지 주목받고 있다.

2.2 On-line UPS의 FFR 자원화 가능성

데이터센터의 On-line UPS는 전력망 이상시 즉시 UPS의 배터리로 전환하여 전력을 공급할 수 있다. 전력 공급 중단 뿐만아니라 주파수 저하에 따른 UPS 동작 조건을 적용한다면 계통 측면에서는 일정 부하가 일시적으로 차단되어 FFR 자원으로 활용 가능하다. 데이터센터 전력부하의 FFR은 DR과 달리 수십 ms 이내에 반응할 수 있으며, UPS 용량에 따라 5~10분간 자체 전력 공급이 가능하고, 필요 시 비상발전기를 가동한다면 수시간 이상 유지할 수 있을 것으로 사료된다. 해외 데이터센터 UPS 개발 기업은 FFR 자원에서 더 나아가 UPS ESS의 상시 대기 전력을 계통에 주입할 수 있는 Grid Support UPS를 개발하여 상용화하고 있다^[7]. 그러나 국내 현행 UPS는 동작 개시 조건이 전력망 요구와 상이하고, 주파수·전압 회복 시 즉시 전력망 공급으로 복귀하는 특성이 있어 FFR 자원으로 활용기 위해서는 다양한 제도적, 기술적 방안을 마련해야하 한다. UPS의 개시 조건을 전력망 요구 수준에 맞게 표준화하고, 회복 이후에도 사전 정의된 기간 동안 ESS 출력을 유지하며 필요 시 비상발전기를 병행 운전하는 제어 전략을 도입한다면 FFR 자원으로서의 활용 가능성을 크게 높일 수 있을 것으로 판단된다.

3.1 전력망 안정화 효과 분석을 위한 모델 및 시나리오 설계

데이터센터 On-line UPS를 제어하여 전력 부하를 일시적으로 ESS를 통해 공급하는 것은 전력계통 측면에서 부하 차단과 동일한 효과를 갖는다. 이에 본 연구에서는 전력망 안정화 효과를 분석하기 위해, 특정 주파수 이탈과 지속 시간에 따라 동작이 트리거되는 동적 부하 모델을 개발하였다. 그림 2의 블록 다이어그램에 나타난 바와 같이, 계통 주파수가 기준값에서 설정된 시간 이상 벗어날 경우 Time delay를 거쳐 동적으로 반응하는 Frequency–Time Triggering 방식을 적용하였다.

그림 2. 동적 부하 모델 블록 다이어그램

Fig. 2. Dynamic load model block diagram

본 연구에서는 표 1과 같이 동적 부하 모델의 주요 설정값을 적용하였으며, 해당 조건은 향후 데이터센터의 FFR 자원 참여를 위한 제도적 기반이 마련될 경우 조정될 수 있다.

전력망 안정화 효과 검증을 위해 제10차 전력수급기본계획을 반영한 2032년 최저 부하시 계획 계통 데이터를 기반으로 경기도 평택 지역 154kV 모선에 신규 데이터센터 부하를 분산 투입하여 활용한다. 주파수 및 전압 회복 효과 분석을 위해 765kV 2회선(신태백-신강원) 동시 고장과 이에 따라 3GW 발전기(신한울1, 2호기)가 탈락하는 상정고장을 적용한다. 또한, 데이터센터 부하 차단 효과를 비교하기 위해 기존 계통 안정화용 ESS 1GW를 비교 대상으로 설정하고, 최저 주파수를 기준으로 안정화 효과를 비교 분석한다. 비교 대상인 계통 안정화용 ESS 동작 조건은 표 2와 같다.

3.2 주파수 안정화 효과

데이터센터 UPS를 FFR 자원으로 활용하면, 계통 주파수 하락 시 UPS를 방전 모드로 전환하여 데이터센터 전력수요를 내부 ESS로부터 공급함으로써, 계통으로부터의 수전을 감소시켜 주파수 회복에 기여할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 효과를 검증하기 위해 표 3과 같이 세 가지 시나리오를 구성하였다. 데이터센터의 부하 차단의 주파수 안정화 효과를 검토함과 동시에 계통 안정화용 ESS의 효과와 비교 분석한다. 이를 위해 평택 인근 154kV 모선에 데이터센터 부하를 단계적으로 투입하여 최저 주파수가 동일해지는 시점을 도출하였으며 데이터센터 1.05GW를 차단하는 경우 ESS 1GW 적용에 따라 최저 주파수가 59.4Hz에 도달하는 것을 확인하였다.

그림 3의 미적용 시나리오 주파수 응답 결과에 따르면, 상정 고장 발생 후 계통 주파수는 약 59Hz까지 저하되며 회복되지 않는 것으로 나타났다. 데이터센터 1.05GW FFR 시나리오는 약 4.5초 후에 최저 주파수에 도달하였으며, 미적용 시나리오 대비 최저 주파수가 0.4Hz 상승하였다. 계통 안정화용 ESS 1GW 적용 시나리오는 약 6.25초 후에 최저 주파수에 도달하였으며, 최저 주파수 도달 시간에 대한 시나리오 2와의 차이는 데이터센터 부하 차단이 ESS와 달리 출력이 점진적으로 변화하지 않고, 설정된 시점에 대규모 전력이 순간적으로 제거되어 주파수 변화율(Rate of Change of Frequency, RoCoF)이 크게 나타나기 때문이다. 한편, 최저 주파수 도달 이후 회복 구간에서는 데이터센터 부하 차단 시나리오가 ESS 적용 시나리오 대비 더 빠르고 높은 수준으로 회복하는 양상을 보였다. 이를 통해 데이터센터 전력 부하의 FFR 적용이 최저 주파수 향상과 함께 ESS와 동등한 수준의 주파수 회복 성능을 제공할 수 있음을 확인하였다.

그림 3. 시나리오별 상정고장시 계통 주파수 응답

Fig. 3. System frequency response for each scenario under the contingency

3.3 전압 안정화 효과

앞 절에서 검토한 주파수 회복 능력과 더불어 데이터센터 UPS FFR 자원의 활용에 따른 데이터센터 투입 지역의 전압 회복 효과를 분석한다. 표 3에 나타낸 세 가지 시나리오를 기반으로 앞 절에서 적용한 동일한 765kV 2회선 고장 및 3GW 발전기 탈락 상정고장을 적용하였으며, 평택지역 모선 전압의 회복 효과를 분석한다.

표 4는 데이터센터 1.05 GW 부하가 분산 배치된 6개 평택 지역 모선에서의 전압 회복 양상을 나타낸 것이다. 모든 모선에서 데이터센터 FFR 적용 시 전압 회복 속도가 가장 빠르며, 회복 후 전압 수준 또한 가장 높게 나타났다.

그림 4는 6개 모선 중 대표적으로 평택 154 kV 모선에서의 전압 변화를 시나리오별로 비교한 결과이다. 미적용 시나리오의 경우, 고장 직후 전압이 급격히 저하된 뒤 회복 속도가 완만하여 정상 상태 도달까지 약 6.5초가 소요되었다. 반면, 데이터센터 1.05 GW FFR 시나리오는 고장 직후 빠른 전압 회복을 보였으며, 정상 상태 전압보다 약간 높은 수준에서 안정화되었다. 이는 대규모 부하 차단으로 인한 전력 수요 급감이 인근 모선 전압 회복에 즉각적으로 기여한 결과로 해석된다. 계통 안정화용 ESS 1 GW 적용 시나리오는 전압 저하 폭을 줄였으나, 회복 속도가 상대적으로 느리고 회복 전압도 낮게 나타났다. 이러한 결과는 데이터센터 FFR이 전압 회복 속도와 수준 면에서 ESS와 비교하여 우수한 성능을 발휘할 수 있음을 시사한다.

그림 4. 시나리오별 상정고장시 평택 154kV모선 전압 변동

Fig. 4. Bus voltage variations at Pyeongtaek 154kV under the scenarios

4.1 On-line UPS EMT 모델 기반 사전 분석

On-line UPS를 구현하기 위해 그림 5의 AC/DC 및 DC/AC 컨버터는 3-Level NPC 구조로 구성하였으며, UPS의 배터리와 연계되는 구간에는 양방향 DC/DC 컨버터를 적용하였다. 해당 컨버터는 기본적으로 강압(Buck) 동작을 기반으로 하며, 배터리 충전 시에는 직류 링크 전압을 배터리 전압 수준으로 변환하고, 방전 시에는 반대로 배터리 전압을 직류 링크 전압에 맞추는 승압 동작을 수행한다. 이를 통해 양방향 전력 흐름 제어가 가능하도록 하였다.

그림 5. EMT 기반 On-line UPS 시뮬레이션 모델 구성도

Fig. 5. Configuration of EMT based On-line UPS simulation model

또한, 계통 탈락 시에는 계통 측 릴레이를 개방함과 동시에 AC/DC 컨버터의 게이팅 신호를 차단하여 UPS 운전 모드의 전환을 구현하였다.

전력망 불안정 상황에서 On-line UPS 제어가 전력공급 및 전력품질에 미치는 영향을 검토하기 위해, 정상 UPS 모드에서 배터리 방전 모드로 절체하는 시나리오를 적용하였으며, 동작 시퀀스는 표 5에 제시하였다. 본 연구에서 모델링한 UPS의 배터리 전압은 1,000V, 정격 유효전력은 200kW로 설정하였으며, 계통 선간전압은 380 Vrms, 직류단 전압은 700V로 모의하였다.

그림 6에 나타난 바와 같이 정상 UPS 모드에서 방전 모드로 전환되는 시점에 전력부하 측 전압과 전류에서 과도 현상은 관찰되지 않았으며, 이는 DC/DC 컨버터를 통해 배터리 전력이 안정적으로 공급되고 있음을 보여준다.

그림 6. On-line UPS 모드 절체에 따른 전력부하 파형

Fig. 6. Data center load waveforms during On-line UPS mode transition

4.2 On-line UPS 제어시 전력품질 영향 실증 분석

앞 절의 EMT 모델링 결과를 통해 On-line UPS 절체 시 전력부하에 과도 영향이 없음을 확인하였으며, 이를 기반으로 실제 데이터센터를 대상으로 전력품질 영향을 실증 분석하였다. 표 6은 실증 시험에 사용된 데이터센터의 전력 설비 구성을 나타낸다.

본 연구에서 실증한 데이터센터 On-line UPS의 배터리 충·방전용 인버터는 상시 아이들링 운전 방식을 채택하였으며, AC/DC 컨버터 1차측 차단기(CB)를 개방하여 방전 모드로 절체한다. 절체 시점을 파악하기 위해 UPS AC/DC 컨버터 1차측의 단상 전압을 측정 포인트로 선정하였으며, 전력품질 분석을 위해 AC/DC 컨버터 2차측에서 전압, 전류를 측정하였다.

시험 결과, 그림 7과 같이 AC/DC 컨버터 1차측 전압이 순간적으로 저하되는 시점(방전모드 절체 시점)에 DC/AC 컨버터 2차측 전압과 전류에서는 과도 현상이 관찰되지 않았으며 일정한 파형을 유지하였다. 이러한 결과는 UPS 모드 절체가 데이터센터 내부 전력공급에 영향을 미치지 않음을 의미한다.

그림 7. On-line UPS 모드 절체시 전압, 전류 측정 파형

Fig. 7. Voltage and current waveforms during On-line UPS mode transition