GFM과 GFL 차이｜그리드포밍 인버터가 주목받는 이유
계통을 따라가는 인버터와 계통의 전압·주파수 기준을 형성하는 인버터의 차이를 전력계통 관점에서 정리합니다.
GFL(Grid Following)은 외부 전력계통의 전압과 주파수를 기준으로 동작하는 인버터입니다. 반면 GFM(Grid Forming)은 자체적으로 전압과 주파수 기준을 형성하고 유지할 수 있도록 제어하는 인버터입니다. 재생에너지와 ESS 비중이 높아질수록 계통 안정성을 보완하기 위해 GFM 기술의 중요성이 커지고 있습니다.
목차
- GFL이란 무엇일까?
- GFM이란 무엇일까?
- GFM과 GFL의 가장 큰 차이
- 왜 기존 인버터는 대부분 GFL 방식일까?
- 재생에너지가 많아지면 어떤 문제가 생길까?
- GFM은 어떻게 전력계통을 안정화할까?
- GFM과 동기발전기의 관계
- ESS에서 GFM이 중요한 이유
- 블랙스타트와 GFM
- GFM이라고 해서 모든 문제가 해결되는 것은 아니다
- GFM과 GFL 비교
GFL이란 무엇일까?
GFL은 Grid Following의 약자로, 우리말로는 계통 추종형 인버터라고 할 수 있습니다. 이미 존재하는 전력계통의 전압과 주파수를 확인한 뒤 그 기준을 따라 전력을 공급합니다.
일반적인 계통연계형 태양광 인버터를 생각하면 이해하기 쉽습니다. 전력계통에서 이미 전압, 주파수, 위상이 형성되어 있으면 인버터는 이를 측정하고 동기화한 뒤 전류를 공급합니다.
예를 들어 계통 주파수가 60Hz로 유지되고 있다면 GFL 인버터는 그 주파수와 위상에 맞춰 전류를 주입합니다. 즉, 계통이 먼저 기준을 만들고 인버터가 그 기준을 따라가는 구조입니다.
GFL에서는 계통의 위상을 추정하기 위해 일반적으로 PLL(Phase Locked Loop)이라는 제어 기능을 사용합니다. PLL은 계통 전압의 위상을 추적하고 인버터가 계통과 동기화될 수 있도록 도와줍니다.
여러 사람이 이미 일정한 박자에 맞춰 걷고 있을 때, GFL은 주변 사람의 걸음 속도를 확인한 뒤 그 박자에 맞춰 걷는 사람과 비슷합니다.
GFM이란 무엇일까?
GFM은 Grid Forming의 약자이며 계통 형성형 인버터라고 부를 수 있습니다. GFL이 기존 전력계통을 따라간다면 GFM은 전압과 주파수의 기준을 능동적으로 형성할 수 있습니다.
즉, 인버터가 전압의 크기와 주파수 기준을 만들어 계통을 형성하는 방식입니다. GFM 인버터는 단순히 계통에서 전압을 측정하고 전류를 주입하는 것에 그치지 않고, 인버터 자체가 하나의 전압원(Voltage Source)처럼 동작하도록 제어할 수 있습니다.
독립된 마이크로그리드에서 기존 전력계통이 없는 상태를 생각해 보면, 일반적인 GFL 인버터는 따라갈 전압과 주파수 기준이 없어 정상적인 계통연계 운전이 어렵습니다. 반면 GFM 인버터는 자체적으로 일정한 전압과 주파수를 형성하여 다른 설비가 이를 기준으로 동작할 수 있도록 할 수 있습니다.
GFM과 GFL의 가장 큰 차이
제어 관점에서도 차이가 있습니다. GFL은 일반적으로 전류를 얼마나 공급할지 제어하는 전류원형 제어 특성이 강합니다. 반면 GFM은 전압과 주파수를 직접 형성하는 전압원형 제어 특성을 가집니다.
GFL의 기본 흐름
계통 전압 측정 → PLL을 이용해 위상 확인 → 계통에 동기화 → 원하는 유효전력·무효전력에 맞춰 전류 공급
GFM의 기본 흐름
인버터 내부에서 전압·주파수 기준 생성 → 전압원처럼 출력 형성 → 계통 상태에 따라 유효전력·무효전력 조정 → 다른 설비가 해당 전압·주파수를 기준으로 동작
왜 기존 인버터는 대부분 GFL 방식일까?
과거에는 대형 화력발전소, 원자력발전소, 수력발전소 등에 설치된 수많은 동기발전기가 전력계통의 전압과 주파수를 자연스럽게 형성하고 유지하는 역할을 했습니다.
따라서 인버터 입장에서는 이미 강력한 전력계통이 존재했고, 굳이 전압과 주파수를 만들어낼 필요 없이 기존 계통을 따라가면서 필요한 전력만 공급하면 됐습니다.
이러한 환경에서는 GFL 방식이 구조적으로 단순하고 효율적이었고, 태양광 인버터를 비롯한 대부분의 계통연계형 전력변환장치는 오랫동안 GFL 방식을 중심으로 발전해 왔습니다.
재생에너지가 많아지면 어떤 문제가 생길까?
전력계통은 발전량과 소비량이 항상 거의 동일하게 유지되어야 합니다. 전력 소비가 갑자기 증가하면 발전량이 부족해지면서 주파수가 떨어질 수 있고, 반대로 발전량이 소비량보다 많아지면 주파수가 상승할 수 있습니다.
기존 동기발전기는 거대한 회전체가 회전하고 있기 때문에 발전량과 소비량 사이에 순간적인 차이가 발생하더라도 회전체의 운동에너지가 충격을 완화합니다. 이를 흔히 회전 관성(Rotational Inertia)이라고 합니다.
하지만 태양광 인버터나 ESS PCS에는 동기발전기처럼 직접 계통과 연결된 대형 회전체가 없습니다. 따라서 동기발전기 비중이 감소하고 GFL 기반 인버터 비중이 높아지면 계통의 물리적인 관성이 감소할 수 있습니다.
관성이 낮을수록 사고 발생 직후 주파수 변화 속도가 커질 가능성이 있습니다.
GFM은 어떻게 전력계통을 안정화할까?
주변 계통이 약해지더라도 자체적인 전압 기준을 제공할 수 있습니다.
외부 기준이 없는 마이크로그리드나 독립계통에서도 주파수 기준을 형성할 수 있습니다.
ESS와 결합하면 계통 주파수 변화에 따라 충·방전 출력을 매우 빠르게 조정할 수 있습니다.
PLL 기반 GFL보다 약계통 환경에서 안정성 확보에 유리한 특성을 가질 수 있습니다.
GFM과 동기발전기의 관계
GFM을 설명할 때 자주 등장하는 표현이 동기발전기와 비슷하게 동작한다는 것입니다. 하지만 GFM 인버터 안에 실제 발전기 회전체가 있는 것은 아닙니다. 전력전자 제어 알고리즘을 이용하여 동기발전기의 전기적 특성을 일부 모사하는 것입니다.
Droop Control
유효전력과 주파수, 무효전력과 전압 사이의 관계를 이용하여 여러 인버터가 출력을 분담하도록 하는 방식입니다. 개념적으로는 P ↔ f, Q ↔ V 관계가 활용됩니다.
Virtual Synchronous Machine
동기발전기의 회전체 운동 방정식을 제어 알고리즘으로 구현하여 인버터가 관성을 가진 발전기와 비슷한 응답을 보이도록 하는 방식입니다. 실제 회전체는 없지만 제어 알고리즘을 통해 가상 관성(Virtual Inertia)과 유사한 특성을 구현할 수 있습니다.
ESS에서 GFM이 중요한 이유
GFM 기술이 특히 주목받는 분야가 ESS(Energy Storage System)입니다. 태양광이나 풍력은 발전 가능한 전력이 자연조건에 따라 결정되지만, 배터리는 저장되어 있는 에너지를 이용하여 필요한 순간에 전력을 충전하거나 방전할 수 있습니다.
따라서 ESS PCS에 GFM 기능을 적용하면 계통 상태에 따라 빠르게 출력을 조정하면서 다양한 계통지원 기능을 제공할 수 있습니다.
블랙스타트와 GFM
블랙스타트는 대규모 정전으로 전력계통의 전원이 완전히 사라진 상태에서 외부 전력 공급 없이 발전소나 전력계통을 다시 기동하는 과정을 의미합니다.
GFL 인버터는 기본적으로 따라갈 계통 전압과 주파수가 필요하기 때문에 완전히 무전압 상태인 계통에서는 독립적으로 동작하기 어렵습니다.
반면 적절하게 설계된 GFM 기반 ESS는 자체적으로 전압과 주파수를 형성할 수 있기 때문에 계통 복구 과정에서 활용될 가능성이 있습니다.
다만 실제 블랙스타트 적용에는 PCS 용량뿐 아니라 배터리 에너지, 변압기 여자전류, 부하 기동전류, 보호협조, 계통 구성 등 다양한 요소를 함께 검토해야 합니다.
GFM이라고 해서 모든 문제가 해결되는 것은 아니다
여러 GFM 장치 간 상호작용
한 계통에 여러 개의 GFM 장치가 연결되면 각 인버터의 제어 특성이 서로 영향을 줄 수 있습니다. Droop 계수나 제어 대역폭이 적절하지 않으면 인버터 사이에서 예상하지 못한 전력 진동이 발생할 수도 있습니다.
사고전류 특성
동기발전기는 단락사고가 발생하면 비교적 큰 사고전류를 공급하지만, 전력반도체로 구성된 인버터는 소자를 보호하기 위해 출력전류에 제한이 있습니다. 따라서 기존 보호계전 방식이 그대로 적용되지 않는 상황이 발생할 수 있습니다.
에너지원의 한계
GFM이 아무리 빠르게 전력을 제어할 수 있어도 실제 에너지가 존재해야 합니다. ESS라면 SOC, 출력 가능 전력, 배터리 상태, 운전 제한 등을 함께 고려해야 합니다.
GFM과 GFL 비교
| 구분 | GFL | GFM |
|---|---|---|
| 정식 명칭 | Grid Following | Grid Forming |
| 의미 | 계통 추종형 | 계통 형성형 |
| 기본 역할 | 기존 계통을 따라감 | 전압·주파수 기준 형성 |
| 주요 제어 특성 | 전류원형 | 전압원형 |
| 위상 기준 | 외부 계통에서 추종 | 자체 기준 형성 가능 |
| PLL 의존성 | 일반적으로 높음 | 구조에 따라 낮거나 불필요 가능 |
| 강계통 운전 | 유리 | 가능 |
| 약계통 운전 | 불리해질 수 있음 | 상대적으로 유리 |
| 독립계통 운전 | 제한적 | 가능 |
| 관성 지원 | 제한적 | 가상 관성 구현 가능 |
| 블랙스타트 | 단독 수행 어려움 | 적용 가능성 높음 |
| 주요 적용 | 기존 태양광·풍력 인버터 | ESS·마이크로그리드·미래 전력계통 |
GFL은 강한 전력계통이 존재하는 환경에서 매우 효율적인 방식이며 지금도 널리 사용됩니다. GFM은 GFL을 단순히 대체하는 기술이라기보다, 인버터 기반 자원이 증가하면서 부족해질 수 있는 전압 형성·주파수 유지·계통 안정화 기능을 보완하는 핵심 기술로 보는 것이 적절합니다.
자주 묻는 질문
Q1. GFM은 무조건 GFL보다 좋은 기술인가요?
그렇지는 않습니다. 두 방식은 목적과 역할이 다릅니다. 강한 전력계통에서는 GFL이 효율적일 수 있고, 약계통이나 전압·주파수 형성 기능이 필요한 환경에서는 GFM의 장점이 커집니다.
Q2. 기존 태양광 인버터는 대부분 GFL인가요?
일반적인 계통연계형 태양광 인버터는 전력계통의 전압과 주파수를 추종하여 전력을 공급하는 GFL 방식이 널리 사용되어 왔습니다.
Q3. GFM 인버터에는 실제 관성이 있나요?
동기발전기와 같은 물리적인 회전체 관성이 존재하는 것은 아닙니다. 대신 제어 알고리즘과 ESS 등의 에너지원을 활용하여 주파수 변화에 빠르게 대응하는 가상 관성 또는 이에 유사한 기능을 구현할 수 있습니다.
Q4. GFM은 ESS에만 사용할 수 있나요?
아닙니다. ESS뿐 아니라 태양광, 풍력, HVDC, STATCOM 등 다양한 전력전자 기반 설비에도 GFM 개념을 적용할 수 있습니다.
Q5. GFM이면 정전된 계통을 바로 복구할 수 있나요?
GFM은 블랙스타트에 유리한 특성을 가지지만, 실제 계통 복구에는 변압기 여자, 부하 투입, 보호계전, 배터리 SOC와 출력용량 등 다양한 조건을 함께 고려해야 합니다.
Q6. GFL과 GFM이 한 전력계통에서 함께 운전할 수 있나요?
가능합니다. 실제 미래 전력계통에서는 일부 GFM 장치가 전압과 주파수 기준 및 계통 안정성을 지원하고, 다수의 GFL 인버터가 이를 기준으로 전력을 공급하는 형태가 일반적일 가능성이 높습니다.
마무리
기존에는 대형 동기발전기가 전압과 주파수를 형성하고 태양광·ESS 인버터가 이를 따라가는 구조가 일반적이었습니다. 하지만 태양광, 풍력, ESS와 같은 인버터 기반 자원이 증가하면서 전력계통 구조도 변화하고 있습니다.
GFL은 이미 형성된 전력계통의 전압과 주파수를 따라가는 방식이고, GFM은 전압과 주파수의 기준을 능동적으로 형성할 수 있는 방식입니다.
특히 ESS와 GFM이 결합하면 단순한 충·방전을 넘어 주파수 안정화, 전압 지원, 약계통 안정화, 마이크로그리드 형성 등 다양한 계통지원 기능을 수행할 수 있습니다.
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