정전을 방지하는 방법

정전으로부터 시스템을 보호하기 위해 무정전 전원 공급 장치(UPS)를 사용한다. 단 몇 초의 정전을 넘어가야 하는 경우 울트라커패시터 기반 시스템을 사용하는 것이 경제적이다.

미케 리터(Mike Ritter): Freqcon GmbH 판매 & 마케팅 매니저

핵심 내용

  • U-UPS 시스템은 175kW에서 수 메가 와트까지 출력을 제공한다.
  • 이 시스템은 실내 설치용으로 설계하거나 운반 가능한 턴키 방식의 컨테이너 솔루션으로 설계할 수 있다.
  • 이 시스템은 짧은 정전이 빈번한 경우, 단 몇 개월 만에 ROI를 달성할 수 있다.

단기적인 반복 정전은 전원 공급 장치의 가장 빈번한 문제로 관련 업계에 광범위한 영향을 미치고 있다. 그 이유는 배전망의 단락이나 낙뢰 그리고 발전소의 공급 또는 차단 또는 풍력 발전소와 태양열 발전소 같은 휘발성 에너지 생산자 때문이며, 정전의 지속 시간은 일반적으로 300~500ms에 이른다.

사용되는 기술과 생산 공정이 점점 복잡해지고 있기 때문에 생산 시스템에 사용하는 전자 부품 및 제어 요소는 특히 이러한 전압 강하 또는 마이크로 정전에 민감하게 반응한다. 이는 장애 또는 시스템 고장으로 이어지며, 영향을 받는 기업들에게는 막대한 경제적 피해로 돌아온다.

원활한 작동을 가능하게 하는 UPS 시스템

기업이 이러한 장애로부터 스스로를 보호하기 위해 사용할 수 있는 기술 시스템이 UPS(무정전 전원 공급 장치이다. 일반적으로 배터리 지원 솔루션, 원심 질량이 있는 회전 시스템 또는 울트라커패시터가 에너지를 일시적으로 저장하는 데 사용되며, 이 기술은 적용 영역과 구매 비용 그리고 운영 비용 면에서 차이가 많이 난다.

배터리 지원 UPS 시스템은 개별 생산 구성 요소를 보호하기 위해 분산적으로 사용되는 경우가 많다. 이 시스템은 화학 반응을 통해 에너지를 저장하며 저렴한 편이다. 하지만 시간이 지남에 따라 노후화되면서 신뢰성이 떨어진다. 이러한 이유로 배터리는 몇 년이 지나면 교체할 수밖에 없다.

반면, 회전식 UPS 시스템은 더 높은 성능과 긴 서비스 수명으로 인해 전체 시스템을 중앙에서 보호하기에 적합하지만 투자 비용이 높은 편이며, 연간 유지 보수와 마모 부품의 정기적인 교체로 인해 추가 비용이 발생할 수 있다.

Freqcon의 U-UPS(Ultracapacitor Uninterruptible Power Supply) 솔루션은 저 전압과 고압 네트워크에서 최대 10초의 짧은 전압 강하에 대응하도록 설계되었다. 다른 UPS 솔루션과 비교하여 높은 효율성과 낮은 손실을 유지하면서 구입 비용과 에너지 비용 그리고 운영 비용이 현저히 낮은 편이다.

Freqcon의 U-UPS 솔루션은 들어오는 전압 강하 또는 마이크로 정전에 대응하고 10밀리초 이내에 자동으로 부하 공급을 담당한다. 통합 FFD(Freqcon Fast Disconnector)는 전원 공급 장치를 공공 그리드에서 분리하고 울트라커패시터에 저장된 에너지를 사용하여 자체 절연 그리드를 생성한다. 이 마이크로그리드는 공공 그리드와 동일한 공칭 전압, 위상 각도 그리고 주파수를 사용한다. 송전망이 다시 필요한 전압을 제공하면 시스템이 몇 밀리초 이내에 공공 그리드와 자동으로 동기화하고 연결을 다시 설정한다. 정상 작동 시 U-UPS 솔루션의 울트라커패시터는 공공 그리드에서만 충전된다. 이 작동 모드는 저전압 및 고압 애플리케이션에 적용된다.

U-UPS 시스템은 FFD를 사용하여 오류 발생 시 부하를 분리하고, 마이크로그리드를 생성하여 계통에 ‘오프라인’으로 연결된다. 따라서 소비 장치 부하는 FFD가 활성화된 경우에만 시스템에 존재한다. 결과적으로 전력 손실은 기존 ‘온라인’ UPS 시스템에 비해 80% 이상 감소한다. 또한 전압 강하가 오래 지속되고 울트라커패시터에 저장된 에너지가 더 이상 생산 시스템의 부하를 공급하기에 충분하지 않은 경우 시스템은 동기화 없이 자동으로 공공 전력망에 연결된다.

패키징 제조업체용 시스템의 캐비닛 구조(왼쪽부터): 제어 기술(캐비닛 1), 전원 스택/IGBT(캐비닛 2), 초크(캐비닛 3), DC 스위치, AC 필터, 회로 차단기(캐비닛 4), EMC 필터(캐비닛 5), 울트라캐패시터(캐비닛 6).

산업 부문에서 이용 가능성이 많다

U-UPS는 시간이 중요한 워크플로와 네트워크로 연결된 생산 시스템으로 인한 중단에 매우 민감한 산업 분야에 특히 적합하다. U-UPS 시스템은 유지 보수가 거의 필요 없는 산업 환경에서 20년 연속 작동하도록 설계되었다. MSC(다중 소스 변환기 기술) 덕분에 주전원 오류는 몇 초에서 몇 분으로 원활하게 연결될 수 있다. 몇 시간 동안 지속되는 교란을 보상하기 위해 추가 배터리 저장 장치 또는 발전기를 통합할 수 있다. 또한 1차 제어 전력과 같은 다른 네트워크 서비스를 유연하게 수행하고, 태양광 또는 풍력 발전소와 같은 추가의 직류 전류 또는 교류 전류를 통합하며, 마이크로그리드를 생성하는 것이 가능하다. 울트라커패시터는 매우 빠른 충전 및 방전 시간과 최대 100만 사이클의 매우 긴 서비스 수명을 가지고 있다.

또한 U-UPS 시스템은 175kW ~ 3MW의 출력을 제공하며 높은 출력 또는 최대 수 메가 와트를 위해 병렬로 전환할 수 있다. 시스템은 실내 설치용으로 설계하거나 턴키 방식으로 운반 가능한 컨테이너 솔루션으로 설계할 수 있다.

자동차 생산공장에 사용되는 U-UPS

체코의 한 자동차 제조업체 공장에서는 송전 그리드에서 연간 최대 50회의 1초 미만의 전압 강하로 인해 차체 자동 도장 라인이 주기적으로 중단되었으며, 이 그리드 장애로 인해 연간 약 900개의 차체에 도장 결함이 발생하였다. Freqcon의 U-UPS 시스템을 배치한 이후, 송전 그리드의 짧은 전압 강하로 인해 도장 라인의 중단 문제를 해결하였다. 이전에 발생한 가동 중지 시간과 수리 비용을 고려할 때 U-UPS 시스템에 대한 투자는 단 몇 개월 만에 상각되었으며, 운영 비용도 상당히 낮출 수 있었다.