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ⓒ픽사베이

 

여러분은 컴퓨터가 갑자기 꺼져 작업 중이던 자료가 날아간 경험이 있으신가요? 이번 기사에서는 정전처럼 예상치 못한 상황이 발생했을 때 데이터가 손실되는 것을 막을 수 있는 장치를 소개해드리겠습니다. 그것은 바로 무정전 전원장치(UPS)인데요. 무정전 전원장치(UPS)각종 장애로부터 기기를 보호하고, 방전시간 동안 안정된 전원을 연속적으로 공급해주는 전원장치입니다. UPS가 어떻게 이러한 역할을 수행할 수 있는지 알아봅시다.

 


무정전 전원장치(UPS)는 어떻게 작동하는 것일까?

ⓒ김시원 제작

 

무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply System, UPS)의 위 그림과 같은 구성을 합니다.

정류기(Rectifier) : 입력전원(AC)을 공급받아 직류 전원(DC)으로 변환하는 동시에 축전기를 충전

인버터(Inverter) : 직류 전원(DC)을 교류 전원(AC)으로 변환하는 장치

동기절체 스위치(Static Transfer Switch) : 부하에 공급하는 전원을 끊임없이 절체 해주는 장치

축전지(Battery) : 정전 시 인버터부에 직류전원(DC)을 공급하여 일정시간 동안 부하에 무정전으로 전원을 공급하는 설비

 

UPS는 동작 방식이 여러 가지가 있지만 대부분 ON-Line 방식을 채용하는데요. ON-Line 방식은 정상적인 상용전원 인입시에도 인버터를 항상 거쳐 양질의 전원을 부하에 공급하는 방식입니다.

평상시에 UPS는 입력전원이 정류기에서 DC로 변환되어 축전지도 충전시키고, 인버터 측으로도 전력을 공급합니다. 그 다음 인버터에서 변환된 DC전원을 다시 AC로 변환시켜 부하에 전력을 공급합니다. 이렇게 AC->DC->AC로 변환하는 과정을 거치는 이유는 안정되고 질이 좋은 전력을 얻을 수 있기 때문입니다.

정전 시 또는 정류기가 고장 났을 시에는 충전되어 있었던 축전지가 부하에 무정전으로 전력을 공급할 수 있습니다.

 


무정전 전원장치(UPS)는 어느 분야에서 활용될까?

UPS는 공장의 설비가 멈추지 않도록 유지해야 하는 분야에서 많이 쓰이는데요. 병원이나 데이터가 중요한 IT기업, 금융기업, 보안, 연구시설 등에서 자연재해나 전력문제로 정전되었을 때 치명적인 피해가 발생할 수 있어 필수적으로 설치되고 있습니다. 또한 코로나로 인해 재택근무와 온라인 수업이 늘어나며 소규모의 가정용 UPS도 점점 많이 활용되고 있습니다.

 

납축전지 vs 리튬이온전지

ⓒ픽사베이

 

지금까지는 주로 UPS에 납축전지가 사용되었습니다. 그런데 최근 들어 리튬이온전지를 사용하는 추세인데요. 그 이유를 알아보겠습니다.

납축전지는 대형전지제조가 용이하며 값이 비교적 저렴하여 많이 쓰이는데요. UPS 뿐만 아니라 태양광 발전시스템이나 차량용 배터리로도 활용됩니다. 하지만 납축전지는 완전 방전 시 수명이 대폭 감소한다는 단점이 있습니다. 납축전지를 오랫동안 방전 상태로 방치하면 전지의 용량이 감퇴하고 수명이 단축되는 설페이션(Sulfation) 현상이 나타나기 때문이죠.

리튬이온전지는 가장 가벼운 금속인 리튬(Li)을 사용해 요즘 대부분의 휴대기기에 활용되고 있는 배터리인데요. 가장 우수한 성능의 배터리라 할 수 있습니다. 수명도 리튬이온UPS가 납축UPS보다 두 배 이상 길고, 에너지 밀도가 높아 UPS 설치 공간을 적게 차지합니다. 또한 납축전지에 비해 빠르게 충전할 수 있고, 납축전지 대비 약 3배 높은 출력을 낼 수 있고, 자기방전, 메모리 효과가 거의 없습니다. 이러한 장점으로 인해 ESS(에너지저장장치)나 전기 자동차, 스마트 기기들까지 광범위하게 사용됩니다. 하지만 리튬이온전지도 단점이 있는데요. 가연성 때문에 폭발사고가 있다는 것입니다. 이에 따라 고성능의 배터리를 개발하기 위해 기술들이 개발되고 있습니다.

메모리 효과(memory effect) : 완전히 방전되지 않은 상태에서 충전을 하게 되면 전기가 남아있음에도 불구하고 완전히 방전상태로 기억해 최초의 배터리 용량보다 더 적은 용량을 배터리 용량으로 인식하게 하는 효과

 

배터리를 효율적으로 관리하는 방법, BMS

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리튬이온 UPS배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)라 불리는 제어장치가 탑재되어 있는데요. 배터리를 최적으로 관리하여 에너지 효율을 높이고 수명을 연장하기 위한 시스템입니다. 배터리를 실시간으로 모니터링하여 과도한 충전 및 방전을 사전에 방지할 수 있어 배터리의 안전성과 신뢰성을 높일 수 있습니다. BMS자동차, 재생에너지 시스템, UPS, 과 같은 응용 분야에서 수요가 증가하고 있습니다. 전 세계 배터리 관리 시스템 시장은 201952억 달러에서 연평균 성장률 19.5%로 증가하여, 2024년에는 126억 달러에 이를 것으로 전망되었습니다. 이렇게 BMS가 성장할 수 있게 된 요인으로는 전기자동차의 수요가 증가하면서 BMS의 수요가 증가했다는 것과 효과적인 전력망 관리에 대한 필요성이 증가했다는 점이 있습니다.

 

우리나라 배터리 관리 시스템 시장 규모 전망 ⓒ연구개발특구진흥재단

 

UPS에 쓰이는 BMS20191,600만 달러에서 연평균 성장률 29.2%로 가장 높은 성장률을 보이고 있으며, 2024년에는 5,600만 달러에 이를 것으로 전망됩니다.

 

국민을 위한 한국전력의 UPS

한국전력은 국회의원이나 대통령 선거 시 개표소에도 정전 시를 대비하여 UPS를 공급하는데요. 주전원 외 비상발전기, UPS, 자동전환등을 설치해 4중의 전원을 확보하면 개표소 정전 시에도 무정전으로 전력을 공급하여 안정적으로 전력공급을 할 수 있습니다.

 

ⓒ한국전력

 

또한 한국전력은 올해 2월부터 코로나 19 백신 접종센터에 무정전 전력을 공급하며 백신의 운송 및 보관을 위해 전력 비상대응 체제를 갖춰 대응하고 있는데요. 초저온으로 냉동보관이 필요해 전력의 안정적인 공급이 필수적이라 합니다. 한국전력은 4중 전원을 확보하여 기존 전력을 공급하던 배전선로가 정전되었을 때에도 대응할 수 있도록 만전을 기하고 있습니다.

 


금융, 정보통신, 의료, 도로교통, 제조설비 등 다양한 분야에서 신뢰성이 높고 고품질의 안정된 전원이 요구되어 UPS의 적용분야는 매우 다양한데요. 특히 최근의 UPS는 고성능, 고기능, 고신뢰화되며 사용이 확대되고 있습니다. 한국전력은 UPS를 활용하여 안정적인 전력 공급에 힘쓰고 있습니다. 앞으로도 많이 응원해주세요!

 

 

 


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