그리드포밍 인버터의 기술 개발 동향 및 도전 과제

초록

세계적으로 탄소중립과 재생에너지 확대 기조가 강화됨에 따라, 태양광·풍력 등 분산형 전원의 계통 연계 비중이 급증하고 있다. 과거에는 대규모 동기발전기(화력, 원자력 등)가 전력계통의 대부분을 구성하였기에 주파수 안정성 문제가 비교적 적었으나, 재생에너지 비중이 늘면서 전력계통에서 관성(Inertia) 이 부족해지는 현상이 두드러지고 있다.재래식 발전기는 회전질량이 제공하는 물리적 관성을 통해, 전력 불균형 시 계통 주파수를 완만하게 변동시키는 완충 역할을 해왔다. 그러나 인버터 기반의 재생에너지는 고정된 회전질량이 없으므로, 기계적 관성 제공이 사실상 불가능하다. 이로 인해 계통 주파수 변동 폭이 커지고, 급작스러운 부하 변동이나 사고(단락 등) 시 주파수·전압이 불안정해질 가능성이 높아진다.현재 대부분의 인버터는 그리드팔로잉(Grid-Following, GFL) 방식으로 운용되어, 상위 계통이 유지하는 주파수와 전압을 ‘추종하는(follow)’ 형태를 띤다. 계통에 이상이 발생하면 오히려 출력을 제한하거나 정지하여 안전을 도모한다. 그러나 재생에너지 설비가 계통의 주력이 되는 상황에서는 이를 넘어, 인버터가 스스로 계통 형성(주파수·전압 제공) 기능을 수행해야 할 필요성이 제기되고 있다. 이를 가능하게 만드는 핵심 기술이 바로 그리드포밍(Grid-Form-ing, GFM) 인버터이다. GFM 인버터는 소프트웨어적으로 가상의 관성(Virtual Inertia)을 구현하고, 계통 내에서 동기발전기처럼 ‘기준 주파수·전압을 형성하는’ 역할을 수행한다. 본 논문에서는 그리드포밍 인버터의 기본 원리와, 국내외 기술 개발 동향, 그리고 남은 도전 과제를 살펴보고자 한다.