전력망을 추종하지 않고 형성하는 Grid-Forming 인버터

전력망을 추종하지 않고 형성하는 Grid-Forming 인버터

대학생신재생에너지기자단 25기 구윤서

재생에너지 확대에 따른 새로운 과제

최근의 전력 시스템은 태양광과 풍력 발전, 전기차, 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)와 같은 분산에너지자원(Distributed Energy Resources, DERs)의 확산으로 빠른 변화가 일어나고 있다. DERs는 지역 단위에서 전력을 생산하고 소비하여 기존의 중앙집중형 전력 인프라에 대한 의존도를 낮춘다. 이 변화는 전력 접근성을 향상시키고, 에너지 비용을 절감하여 전력 사용을 효율적으로 관리할 수 있게 하는 등의 다양한 장점을 제공할 수 있다.

그러나 DERs의 광범위한 도입은 안정적이고 효율적인 전력망 운영에 있어, 새로운 도전 과제를 제시한다. 특히 재생에너지의 변동성이 증가하는 것은 전력 시스템 운영 측면에서 중요한 문제로 인식되어지고 있다. 나아가 자연재해의 영향과 정전 발생 빈도의 증가는 현대 전력 시스템에 안정성과 회복력을 더욱 부각시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)는 분산 전원의 효과적인 통합과 최적화를 위한 핵심 플랫폼으로 마이크로그리드를 강조해 왔다. 마이크로그리드는 재난 대응을 통해 전력망의 회복력을 강화한다. 또한 중요 기반 시설에 안정적인 전력 공급을 보장하고, 자원 효율성을 향상시키는 것에 그치지 않고, 비용까지 절감하는 수단으로 주목받고 있다.

그리드 팔로잉 인버터와 그 한계

마이크로그리드의 핵심 구성 요소 중 하나는 인버터이다. 인버터는 전력망의 상호작용 방식에 따라 크게 그리드 팔로잉(Grid-Following, GFL) 인버터와 그리드 포밍(Grid-Forming Inverter, GFM) 인버터로 분류된다. 이때 두 인버터는 각각 서로 다른 기능을 수행하며, 현재 한국에 설치되어 운영 중인 인버터의 대부분은 GFL 방식이다.

[자료 1. GFL 인버터 제어 루프]

출처 :ⓒ 25기 구윤서

GFL 인버터는 기존의 동기발전기가 형성한 전력망을 따라 동작하는 방식이다. 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지 설비나 ESS에 적용되어 전력망에 연결된다. 제어 루프는 위의 자료와 같다. 계통 전압과 동기화되어 작동하며, P/Q 제어를 기반으로 PLL(Phase Locked Loop)을 통해 계통 전압의 위상을 추적하며, 이 시스템은 전력 제어 루프와 전류 제어 루프로 구성된다. 

우선 P/Q 제어의 P는 유효전력, Q는 무효전력을 의미한다. 유효전력은 d축 전류에 의해, 무효전력은 q축 전류에 의해 제어되며, 여기서 q축 전류는 인버터 내부 전류 값을 dq 변환한 것을 의미한다. 전력 기준값과 실제 전력 사이 오차는 PI 제어기를 거쳐 전류 기준값을 생성하는데 사용된다. 이후 생성된 전류 기준값과 실제 전류 사이의 오차를 또 다른 PI 제어기를 통해 제어하며 d-q축 전압 기준값을 형성한다. 이러한 과정을 통해 계통 연계 상황에서 전력 기준값을 추종하게 되며, 최종적으로 PWM 제어(Pulse Width Moulation) 신호가 출력된다. 이러한 특성에 의해 GFL 인버터는 단독으로 운전하기 어렵다. 대규모 발전소나 GFM 인버터와 같은 다른 전원과의 동기화가 필요하다. 이러한 특성은 계통에서 재생에너지 비중이 높아질 때 한계로 작용할 수 있다.

<용어 설명>

• PLL:  위상 동기 루프로, 계통 전압의 위상을 찾아내어 동기화하는 기술이다.

• d축/q축: 3상 교류 성분을 회전 좌표계로 변환하여 직류처럼 제어하기 쉽게 만든 성분이다. 보통 유효전력 제어에 d축, 무효전력 제어에 q축을 사용한다.

• PI Controller: 비례-적분 제어기이다. 목표값과 실제값의 오차를 줄이기 위해 널리 사용되는 제어 기법이다.

그리드 포밍 인버터와 그 의의

GFM 인버터는 자체적인 전압과 주파수를 생성함으로써 동기 발전기의 거동을 모방한다. 이는 특히 인버터 기반 자원(Inverter Based Resources, IBRs)의 점유율이 높은 시스템에서 계통 안정성과 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 전압 제어를 기반으로 작동하는 GFM 인버터는 자체 전압 파형을 생성하며, 단독 운전 모드(Islanded mode)도 자율적으로 가능하다. 게다가 주파수를 안정화하고 전압을 조절하며, 발전기 고장이나 급격한 전압 강하와 같은 외란에 빠르게 반응한다. ESS와 결합될 경우, 주파수 및 전압 조절 능력은 향상된다.

[자료 2. GFM 인버터 제어 루프]

출처:ⓒ 25기 구윤서

제어 루프는 전압 제어와 전류 제어로 구성되며 위의 자료 n과 같다. 먼저, 전압 제어 루프는 기준 전압과 실제 전압을 입력으로 받아 PI 제어기를 통해 오차를 제어한다. 이 실제 전압은 인버터 내부 LCL 필터의 PCC(Point of Common Coupling)과 전압을 dq 변환한 값이다. 이후 피드포워드(Feedforward) 값이 더해져 최종적으로 PWM 신호를 출력한다.  이러한 방식은 전력망이 없는 상황에서도 인버터가 독립적으로 전압과 주파수를 유지할 수 있게 해준다. 전압을 제어하는 것 뿐만 아니라, 계통에 관성과 동기화를 제공함으로써 재생에너지 비중이 높은 계통에서 주파수 안정성을 향상시키는 효과를 가진다.

<용어 설명>

• PCC: 공통 결합점, 즉 인버터 등의 분산 전원이 전력 계통과 연결되는 지점을 의미한다.

• Feedforward: 제어 시스템에서 외란이나 목표값의 변동을 미리 감지하여 출력에 반영하여 응답 속도를 높이는 제어 기법이다.

• IBRs: 태양광, 풍력, 배터리 등 인버터를 통해 전력망에 연결되는 발전 자원을 통칭한다.

• 단독 운전 모드: 전력 계통과 끊어진 상태에서 분산 전원만으로 부하에 전력을 공급하는 상태이다. GFM 인버터의 핵심 능력 중 하나이다.

준비해야 할 기술인 GFM 

기존에 널리 사용되고 있는 GFL 인버터는 이미 형성된 전력망을 추종하는 방식으로 사용되고 있다. 그에 반해, GFM 인버터는 전력망이 없더라도 전압과 주파수를 스스로 형성할 수 있다는 점에서 이제까지의 패러다임이 전환될 가능성을 제시한다. 이러한 면에서 GFM 인버터는 전력망의 안정성과 회복력을 높일 수 있는 방법으로 사용될 수 있다.

그러나 실제로 계통에 적용하기 위해서는 해결해야 할 기술적 과제도 남아 있다. 특히 계통 연계 과정에서 발생하는 전압과 주파수의 변동이나, 다수의 인버터가 동시에 운전될 때의 제어에 대해 충분히 논의되어야 한다. 또한 보호 계전 및 운영 기준을 확정하는 것 또한 향후 연구와 실증을 통해 검증되어야 할 과제이다. 재생에너지 비중이 지속적으로 증가한다면 GFM 인버터는 전력 시스템이 미리 준비해야 할 기술이다.

전력계통에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "재생에너지 안정화를 위한 ESS 설계의 핵심", 28기 김서진, https://iksung.tistory.com/187

2. "[전력계통 스터디] 전력시장 바로 알기", 25기 구윤서, 28기 김서진, 정성엽, https://iksung.tistory.com/195

참고문헌 

[재생에너지 확대에 따른 새로운 과제]

1) B. Kroposki et al., Grid-Forming Inverter: Modeling, Control, and Applications, Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, 2020; NREL, Introduction to Grid-Forming Inverters, 2021.  

2) M. Ruth, M. Muratori, and A. Majumdar, “DERs as equitable energy assets,” IEEE Power and Energy Magazine, vol. 22, no. 4, pp. 38–47, Jul./Aug. 2024. 

3) U.S. Department of Energy, Microgrid and Integrated Microgrid Systems Program Report, 2022.