다양한 유형의 UPS 시스템

여러가지유형의 UPS 시스템 글 Neil Rasmussen 백서 #1

개요 현재시장에서는여러가지 UPS 시스템과그각각의특성과관련해상당한혼동이존재한다. 본백서에서는이들각각의 UPS 유형에대해정의하고실제적용에대해검토하며장점과단점을정리함으로써, UPS 시스템선정및도입의올바른방안을제시하고자한다.

서론다양한유형의 UPS 와그각각의특성으로인해혼동이발생하는경우가많다. 예를들어, UPS 시스템에는 Standby UPS 와온라인 (Online) UPS 두종류뿐이라는인식이일반적이지만, 이러한구분으로는현재사용가능한다양한 UPS 시스템을제대로설명할수없다. 이와같이 UPS 와관련된여러가지오해를바로잡으려면먼저다양한 UPS 토폴로지에대한올바른이해가필요하다. UPS 토폴로지는 UPS 설계의기본특성을그대로보여주고있다. 그런데여러 UPS 공급업체에서통상적으로설계나토폴로지가유사한제품을생산하지만각각의제품들은성능면에서매우다양한편차를보인다. 본백서에서는각토폴로지의작동방식등일반적인 UPS 설계방식에대해살펴보고자한다. 이글이각 UPS 시스템에대한올바른이해와비교에도움이되기를기대한다. UPS 의유형 UPS 시스템을구현하는데에는다양한설계방식이사용되는데, 각각의방식은성능상고유한특성을가지고있다. 일반적으로다음과같은설계방식이있다. Standby Line Interactive Standby-Ferro Double Conversion On-Line Delta Conversion On-Line Standby UPS Standby UPS 는개인용컴퓨터에가장널리사용되는 UPS 유형이다. < 그림 1> 에서보는바와같이, 필터링된 AC 입력을주전원 ( 실선경로 ) 으로하고배터리 / 인버터는백업전원이되도록전환스위치 (Transfer Switch) 가설정되어있다. 실제로주전원에문제가발생할경우전환스위치는배터리 / 인버터백업전원 ( 점선경로 ) 으로부하를전환해야한다. 전원에문제가발생했을때에만인버터가작동하기때문에 Standby 로불린다. 이설계의주요장점으로는고효율, 소형, 저비용을들수있다. 이시스템은적절한필터와서지 (Surge) 회로를통해적절한노이즈 (noise) 여과및서지억제기능을제공한다. < 그림 1> Standby UPS

Line Interactive UPS < 그림 2> 의 Line Interactive UPS 는소규모비즈니스, 웹, 사업단위서버에가장널리사용되는설계방식이다. 이설계에서는 배터리 -AC 전원컨버터 ( 인버터 ) 가항상 UPS 출력과연결되어있다. 정상적으로 AC 전원이공급될때는인버터가반대로작동해배터리가충전된다. 장애가발생해 AC 전원공급이중단되면전환스위치가개방되고, 배터리에서 UPS 출력으로전력이공급된다. 이설계에서는인버터가상시작동하며바로출력으로연결되어있으며 Standby UPS 토폴로지와비교할때필터링이추가되고 switching transient 가감소한다. 또한, Line Interactive 설계에는탭변경 (tap-changing) 변압기가포함되어있다. 이변압기는입력 AC 전압이불안전할때변압기탭을조정함으로써전압변동률 (Voltage Regulation) 을높여준다. 저전압상태가발생할때전압변동률이중요한역할을한다. 그렇지않을경우 UPS 는배터리로전환하여결국부하를떨어뜨릴것이다. 이처럼배터리를빈번하게사용하게되면배터리고장이조기에발생할수있다. 그러나, 인버터도이런방식으로설계할수있어인버터에문제가발생할경우전력은교류입력에서출력으로흐르게되고단일장애지점 (SPoF) 의가능성이제거되어독립적인 2 개의전원경로가효과적으로제공된다. Line Interactive UPS 는저전압또는고전압상태교정기능과함께고효율성, 소형, 저비용, 고신뢰성등의장점으로인해 0.5~5kVA 전력범위에가장많이사용되고있는 UPS 유형이다. < 그림 2> Line Interactive UPS Standby-Ferro UPS Standby-Ferro UPS 는한때 3~15kVA 전력범위에가장많이사용했던 UPS 유형이다. 이설계는 3 개의와인딩 (winding)( 전원연결 ) 이있는특수한 saturating transformer 에의존한다. 주전력경로는 AC 입력에서시작하여전환스위치와변압기를거쳐출력으로이어진다. 전원공급에장애가발생하면, 전환스위치가열리고출력부하가인버터로전환된다.

Standby-Ferro 설계에서인버터는대기모드로있다가 AC 입력이중단되고전환스위치가개방될때활성화된다. 변압기에는 "Ferro-Resonant" 라는특수한기능이있어, 제한적인전압변동률과출력파형인 셰이핑 (shaping) 을제공한다. Ferro 변압기가제공하는과도 AC 전력차단은어떤필터보다도우수하다. 그러나, Ferro 변압기자체가심각한출력전압왜곡및과도전압을발생시켜낮은품질의 AC 연결보다도성능이떨어질수있다. 이방식의 UPS 는설계상 Standby UPS 이지만 Ferro-Resonant 변압기가본래비효율적이기때문에대량의열을발생시킨다. 또한, 이러한변압기는일반절연변압기와도상당부분유사해 Standby-Ferro UPS 는일반적으로매우크고무겁다. Standby-Ferro UPS 시스템에도전환스위치가있고인버터가대기모드로작동하며전력공급장애시작동하기는하지만이시스템은흔히온라인장비로인식되고있다. < 그림 3> Standby-Ferro UPS 고신뢰성과탁월한라인필터링이이설계의장점이다. 그러나, 이설계는일부발전기와최신역률보정 (power-factor corrected) 컴퓨터에사용될경우불안정성으로인해효율성이현저하게떨어지기때문에선호도가매우낮다. Standby-Ferro UPS 시스템이잘쓰이지않게된가장큰원인은최신컴퓨터전원부하를사용할경우근본적으로불안전해질수있기때문이다. 백열전구와매우흡사하게모든대형서버와라우터에는설비로부터오직사인파전류만을끌어오는 역률보정 전원공급장치가사용된다. 이러한원만한전류유도는인가전압을 유도 (Lead) 하는장비인축전기를사용하여얻고 Ferro Resonant UPS 시스템에는유도특성을사용하는헤비코어변압기 (heavy core

transformer) 가사용된다. 즉, 전류가전압을떨어뜨린다. 이러한두요소의결합으로소위 탱크 (Tank) 회로가형성된다. 탱크회로에서발생하는공명또는 울림 은높은전류를발생시킬수있으며이로인해연결된부하가손상을입는다. Double Conversion On-Line UPS 이방식은 10kVA 이상의전력범위에서가장널리사용되는유형이다. < 그림 4> 에서보는바와같이주전력경로가 AC 메인이아닌인버터라는점만빼면 Standby 방식과동일하다. < 그림 4> Double Conversion On-Line UPS Double Conversion On-Line 설계에서는 AC 공급이중단되더라도전환스위치가작동하지않는다. 이는입력교류가백업배터리 ( 출력변환기에전력을공급 ) 를충전하기때문이다. 따라서, 입력교류전력공급이중단될경우온라인으로운영되어전환시간이전혀발생하지않는다. 이설계에서는배터리충전기와인버터가전체부하전력의흐름을바꿔놓아효율성은떨어지고발열량은증가한다. 이방식의 UPS 는거의완벽한전기출력성능을제공한다. 그러나, 전력컴포넌트의지속적인소모 (wear) 로다른설계방식에비해신뢰성이떨어지고전력비효율성으로인해허비되는전력이 UPS 유지관리비용의상당부분을차지한다. 또한, 대형배터리충전기가끌어오는입력전력이비선형인경우가많아건물전력배선을까다롭게하거나 Standby 발전기에문제를발생시킨다.

Delta Conversion On-Line UPS < 그림 5> 와같은유형의 UPS 설계는 Double Conversion On-Line 설계의단점을해소하기위해 10 년전에도입된신기술로, 5kVA ~ 1.6MW 전력범위에서사용할수있다. Delta Conversion On-Line UPS 에반드시부하전압을공급하는인버터가있다는점은 Double Conversion On-Line 설계와유사하지만, 추가된 Delta Converter 또한인버터출력에전원을공급한다는점에는차이가있다. 한편전력공급에문제가발생하거나중단될경우이설계는 Double Conversion On-Line 방식과동일하게작동한다. < 그림 5> Delta Conversion On-Line UPS < 그림 6> 과같이 4 층에서 5 층으로물건을운반하는데필요한에너지를생각하면 Delta Conversion 토폴로지의에너지효율성을쉽게이해할수있다. Delta Conversion 기술은출발지점과도착지점간의차이 (Delta) 만큼만물건 ( 전력 ) 을운반함으로써에너지를절약한다. 즉 Double Conversion On-Line UPS 는배터리로전력을전환한후이를다시변환하는반면 Delta Converter 는에너지컴포넌트를입력에서출력으로바로전달한다. < 그림 6> Double Conversion vs. Delta Conversion 비유

Delta Conversion On-Line 설계에서 Delta Converter 는두가지용도로사용된다. 첫째는입력전력특성을제어하는것이다. 이러한활성프론트엔드는사인파방식으로전력을유도하여설비에반영되는고조파 (harmonics) 를최소화한다. 이렇게함으로써최적의설비및발전기시스템호환성을유지하여전력분배시스템에서의열발생과시스템소모 (wear) 를줄여준다. Delta Converter 의두번째는배터리시스템충전을조절하기위해입력전류를제어하는것이다. Delta Conversion On-Line UPS 는 Conversion On-Line 설계와동일한출력특성을제공하지만입력특성은다른경우가많다. Delta Conversion On-Line 설계에서는기존솔루션의필터뱅크가효율적으로사용되도록하면서동적인제어로역률보정입력전력을공급한다. 이방식의가장큰장점은에너지손실을현저하게줄일수있다는것이다. 또한, 이방식의 UPS 는입력전력제어를통해어떤발전기와도함께사용할수있으며배선및발전기에대한과도한증설수요를줄여준다. Delta Conversion On-Line 기술은현재특허로보호받고있는유일한핵심 UPS 기술이며따라서대다수 UPS 공급업체들은이기술을사용하지못한다. 전력공급이안정적인상태인경우 UPS 는 Delta Converter 덕분에 Double Conversion 방식보다훨씬효율적으로전력을부하로전달한다. UPS 유형요약 여러가지 UPS 유형의특징을정리하면아래표와같다. 효율성등몇몇특성은 UPS 유형에따라달라진다. 한편구축및제작품질이신뢰성과같은특성에훨씬더결정적인영향을미치므로이러한설계상의특징과함께구현및제작품질요인도추가로고려해야한다. 실제전력인버터상시전압상태 VA 당비용효율성범위 (kva) 작동 Standby 0 ~ 0.5 낮음 낮음 매우높음 아니오 Line Interactive 0.5 ~ 5 설계에따라다름 중간 매우높음 설계에따라다름 Standby Ferro 3 ~ 15 높음 높음 낮음 ~ 중간 아니오 Double 5 ~ 5000 높음 중간 낮음 ~ 중간 예 Conversion On-Line Delta Conversion On-Line 5 ~ 5000 높음 중간 높음 예 업계에서사용되는 UPS 유형 현재의 UPS 제품은앞서설명한설계방식들을적용하며발전해왔다. 각각의 UPS 유형들은상이한용도에도어느정도적용할수있는특성을가지고있으며아래표에서보듯이 APC 는다양한설계방식을적용한제품군을제공하고있다.

Standby Line Interactive 제품 장점 제한사항 APC의견해 APC Back-UPS 저비용, 개인용워크스테이션에 고효율, 소형 최적 Tripp-Lite Internet Office APC Smart- UPS 고신뢰성, 고효율성, 우수한전압조정기능 Powerware 5125 Standby Ferro BEST Ferrups 탁월한전압 조정기능, 고신뢰성 Double Conversion On- Line APC Symmetra Powerware 9170 탁월한전압조정기능, 병렬처리용이 절전시배터리사용, 2kVA 이상에서는비실용적 5kVA 이상에서는비실용적 저효율성, 일부부하및발전기와결합시불안정저효율성, 5kVA 이상에서는고가 고신뢰성으로인해현재가장널리사용되는 UPS 유형. 랙이나분산서버, 하쉬전력 (harsh power) 환경에이상적비효율성및불안전성으로활용에제약, N+1 On-Line 설계가훨씬높은신뢰성제공 N+1 설계에매우적합 Delta Conversion On-Line APC Silcon 탁월한전압조정기능, 고효율성 5kVA 이하에서는비실용적 고효율성으로인해대형센터의전력비용절감 결론 여러가지사용목적에맞게다양한 UPS 유형이있으며하나의 UPS 유형이모든용도에이상적일수는없다. 본백서의목적은현재시장에출시된다양한 UPS 토폴로지의장점과단점을비교하는데있다. 여러가지 UPS 설계방식은다양한용도의 UPS 제작에이론적, 실질적이점을제공한다. 한편설계구축의기본적인품질과제작품질이사용자가경험하는실질적인성능을좌우하는경우가많다.

Neil Rasmussen 은 American Power Conversion 의설립자이며최고기술책임자 (CTO) 다. Neil 은매사추세츠, 미주리, 덴마크, 로드아일랜드, 대만, 아일랜드에위치한주요제품개발센터를통해전력, 쿨링, 랙등의데이터센터인프라연구관련해세계최대규모의 R&D 예산집행을지휘하고있다. 또한 Neil 은현재 APC 의차세대데이터센터솔루션 InfraStruXure 개발을이끌고있다. 1981 년 APC 를설립하기이전 Neil 은 MIT 에서전기공학분야학부와대학원을거치며 Tokamak 핵융합로용 200MW 전원공급장치를분석한논문을발표했다. 한편 1979 년부터 1981 년까지는 MIT 링컨연구소에서플라이휠에너지저장시스템과태양전력시스템에대해연구했다.