Grid-Following vs Grid-Forming Inverter

GFL vs GFM 태양광 인버터,
동작 원리와 차이점

두 가지 제어 철학이 만들어 내는 매우 다른 동작 특성, 그리고 그것이 전력 계통 안정성에 미치는 영향을 비전공자도 따라올 수 있도록 풀어 정리한다.

태양광·풍력처럼 인버터(inverter, 직류를 교류로 바꾸는 전력변환장치)를 통해 전력망에 연결되는 발전이 빠르게 늘고 있다. 과거 전력망은 거대한 회전 기계인 동기발전기(synchronous generator)가 전압과 주파수의 기준을 잡아 주었지만, 인버터 기반 전원이 그 자리를 대체하면서 "기준을 누가 잡을 것인가"라는 새로운 문제가 떠올랐다.

이 질문에 대한 두 가지 답이 바로 GFL(Grid-Following, 계통 추종형)과 GFM(Grid-Forming, 계통 형성형)이다. 같은 하드웨어라도 제어 소프트웨어의 철학이 다르면 완전히 다르게 행동한다. 아래에서 원리·수식·안정성·사용 시점까지 차례로 살펴본다.

1큰 그림 — 두 제어 철학을 한눈에

가장 먼저 붙잡아야 할 핵심은 단 하나다. GFL은 전류원(current source)처럼 동작하고, GFM은 전압원(voltage source)처럼 동작한다. 전류원은 "얼마만큼의 전류를 흘릴지"를 정하는 장치이고, 전압원은 "전압을 얼마로 세울지"를 정하는 장치다.

그림 1. GFL은 계통이 정한 전압·주파수를 측정해 따라가며 전류를 주입한다(전류원). GFM은 전압의 크기·위상·주파수를 스스로 만들어 계통에 기준을 제시한다(전압원).

비유 — 노래방의 가수와 무대 위의 밴드

GFL은 반주에 맞춰 노래하는 가수와 같다. 이미 흘러나오는 반주(계통 전압·주파수)의 박자를 귀로 끊임없이 들으며(PLL) 거기에 맞춰 목소리(전류)를 얹는다. 반주가 끊기거나 박자가 흔들리면 가수도 따라 흔들린다.

GFM은 스스로 박자를 정하는 밴드와 같다. 밴드는 다른 누군가의 반주가 없어도 직접 리듬과 음정을 만들어 낸다. 그래서 옆에서 누가 박자를 놓쳐도 밴드가 중심을 잡아 준다.

2GFL — 계통 추종형(전류원) 자세히 보기

GFL은 동기화를 위해 계통 전압에 의존하는 "제어된 전류원"처럼 동작한다. 핵심 부품은 PLL(Phase-Locked Loop, 위상고정루프)이다. PLL은 계통 전압의 위상과 주파수를 실시간으로 추적해, 인버터가 "지금 계통이 어느 박자에 있는지"를 알게 해 준다. 그 위에서 P/Q(유효·무효 전력) 또는 V(전압) 제어를 기반으로 필요한 전류를 주입한다.

동작 흐름

태양광 패널에서 나온 직류 전력이 인버터를 거쳐 계통으로 나가기까지의 신호 경로는 다음과 같다.

PV 어레이
(태양광 패널)

→

DC/DC
MPPT

→

DC 링크
(직류단)

→

인버터
+ PWM 변조

→

L/LCL
필터

→

계통

제어 측에서는 PLL(동기화) → P/Q 또는 V 제어 → 전류 제어 → PWM 변조 순서로 신호가 흐르고, DC 링크 전압을 일정하게 유지하는 DC 전압 제어가 함께 작동한다. 여기서 MPPT(Maximum Power Point Tracking, 최대전력점 추종)는 태양광 패널이 가장 많은 전력을 내도록 동작점을 맞추는 기능이고, LCL 필터는 인버터 스위칭이 만드는 고주파 잡음을 걸러 내는 부품이다.

제어 계층(위에서 아래로)

PLL (동기화)

→

P/Q 또는 V 제어

→

전류 제어 (dq)

→

PWM & 변조

3GFM — 계통 형성형(전압원) 자세히 보기

GFM은 전압의 크기·위상·주파수를 정의하는 "제어 가능한 전압원"처럼 동작한다. PLL로 계통을 따라가는 대신, 스스로 내부 전압을 만들어 그 전압을 계통에 내건다. 그리고 그 전압을 통해 유효·무효 전력을 조절한다. 동기발전기가 회전 관성으로 주파수를 잡아 주던 역할을, GFM은 제어 알고리즘으로 흉내 낸다.

동작 흐름

PV 어레이

→

DC/DC
MPPT

→

DC 링크

→

인버터
(VSI) + PWM

→

L/LCL
필터

→

계통

제어 측에서는 전력 기준(Power Reference) → 전압·주파수 제어(드룹 제어) → 내부 전압 생성(Internal Voltage Generation) → PWM 변조 순으로 흐르며, 가상 임피던스(Virtual Impedance)가 함께 작용해 전류를 안전하게 제한하고 여러 대의 GFM이 전력을 사이좋게 나눠 갖도록 돕는다. VSI는 전압형 인버터(Voltage Source Inverter)를 뜻한다.

제어 계층(위에서 아래로)

전력 기준

→

드룹 / 스윙 제어

→

전압 생성

→

전류 제어 (dq)

→

PWM & 변조

비유 — 가상 임피던스는 "밴드와 청중 사이의 완충 공간"

실제 발전기에는 코일의 저항·인덕턴스 같은 물리적 임피던스가 있어 전류가 갑자기 폭주하지 못하도록 막아 준다. GFM은 이런 물리적 완충 장치가 거의 없으므로, 소프트웨어로 가짜 임피던스(가상 임피던스)를 만들어 끼워 넣는다. 무대(GFM)와 청중(계통) 사이에 보이지 않는 쿠션을 두어, 충격이 와도 전류가 한꺼번에 쏠리지 않게 하는 셈이다.

4핵심 수식 모델 — 식이 말하는 것까지

아래 식들은 인버터 제어를 다루는 표준적인 모델이다. 식 자체보다 "이 식이 결국 무엇을 말하는가"를 함께 읽으면 충분하다.

GFL(계통 추종형)의 모델

① PLL 동작 — 박자를 찾는 귀

ω_PLL = ω₀ + K_p·e + K_i·∫ e dt , e = v_q

뜻: PLL은 q축 전압 v_q 를 0으로 만들도록 추정 주파수 ω_PLL 를 조정한다. v_q 가 0이라는 것은 인버터의 기준 좌표가 계통 전압과 정확히 맞물렸다는 뜻이다. 문제는 약한 계통에서 v_q 가 출렁이면 이 보정 동작 자체가 진동의 주된 원인이 된다는 점이다.

② 전류 루프 (dq 좌표계 모델)

L·di_ddt = v_inv,d − v_grid,d − R·i_d + ωL·i_q

L·di_qdt = v_inv,q − v_grid,q − R·i_q − ωL·i_d

뜻: 인버터가 내는 전압(v_inv)과 계통 전압(v_grid)의 차이가 필터 인덕터 L 을 통해 전류를 변화시킨다는 회로 방정식이다. PI 제어기가 전류 i_d, i_q 를 목표값 i_d^*, i_q^* 에 맞춘다. 일반적인 루프 대역폭은 약 200–1000 Hz다.

비유 — dq 좌표계는 "회전목마 위에서 보기"

3상 교류 전압·전류는 끊임없이 빙글빙글 도는 양이라 그대로 제어하기 까다롭다. dq 변환은 전압과 같은 속도로 함께 도는 좌표계로 올라타서 바라보는 수학적 트릭이다. 회전목마에 함께 올라타면 옆 목마가 멈춰 있는 것처럼 보이듯, 함께 도는 좌표계에서는 교류가 마치 직류처럼 보여 제어가 훨씬 쉬워진다.

③ 유효·무효 전력 (PCC에서 측정)

P = 32( v_di_d + v_qi_q ) , Q = 32( v_qi_d − v_di_q )

뜻: dq축 전압과 전류의 곱으로 유효 전력 P(실제로 일을 하는 전력)와 무효 전력 Q(전압을 떠받치는 전력)를 계산한다. PCC(Point of Common Coupling, 계통 연계점)는 인버터가 계통과 만나는 접속점이다. 부호는 dq축을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라진다.

④ DC-링크 동작 — 직류단의 에너지 저금통

12C_dc·dV_dc²dt = P_PV − P_AC − P_loss

뜻: 직류단 커패시터에 저장된 에너지는 ½CV² 이다. 들어온 전력(P_PV, 태양광)에서 나간 전력(P_AC, 계통)과 손실(P_loss)을 뺀 만큼 직류 전압이 오르내린다. DC 전압 제어기가 V_dc 를 일정하게 잡아 안정성을 유지한다. 저금통에 들어오고 나가는 돈의 균형을 맞추는 것과 같다.

GFM(계통 형성형)의 모델

① 내부 전압 모델 — 가상 임피던스 너머에 세우는 전압

E = V + Z_vI (페이저) 또는 E∠δ = V∠θ + (R_v + jX_v)I

뜻: E·δ 는 인버터가 스스로 정하는 내부 전압의 크기와 위상이고, R_v·X_v 는 소프트웨어로 만든 가상 저항·리액턴스, V·I 는 단자 전압·전류다. GFM은 이 가상 임피던스 뒤에 자기 전압을 세워 계통의 기준이 된다.

② 스윙(주파수) 방정식 — 동기기 흉내 내기

J·dωdt = P^* − P − D(ω − ω₀) 또는 2H·dωdt = P^* − P − D(ω − ω₀)

뜻: 거대한 발전기가 회전 관성으로 주파수를 떠받치던 운동 방정식을 그대로 본뜬 것이다. J(또는 2H)는 관성, P^* 는 목표(기계적) 전력, P 는 실제 출력, D 는 감쇠 계수다. 관성이 클수록 주파수가 천천히 변해 충격을 완충한다.

③ 전압·무효전력 제어 (드룹)

P–f 드룹: ω = ω^* − K_f(P − P^*) , Q–V 드룹: V = V^* − K_q(Q − Q^*)

뜻: 출력 유효전력이 늘면 주파수를 아주 살짝 낮추고, 무효전력이 늘면 전압을 살짝 낮춘다. 이 "조금씩 양보하기"가 여러 대의 GFM이 별도 통신 없이도 자동으로 부담을 나눠 갖게 만든다. 드룹 이득 K_f·K_q 가 전압·주파수의 강성을 정한다.

참고 — 부호 관례에 대한 한 가지 정정

원본 인포그래픽은 Q–V 드룹을 V = V^* + K(Q − Q^*) 로 적었으나, 전압원 관례에서 무효전력 출력이 늘수록 단자 전압이 내려가는 표준형은 − 부호다(위 식). 부호는 전력·전류의 방향 정의에 따라 달라지므로, 위 식은 가장 널리 쓰이는 "내림 기울기" 관례를 따랐다.

④ 소신호 모델 (단순화) — 흔들림만 떼어 보기

d(Δδ)dt = Δω , 2H·d(Δω)dt = −D·Δω − ΔP_e

d(ΔV)dt = −1τ_vΔV + K_qτ_vΔQ

뜻: 평형 상태 근처에서 작은 변화량(Δ)만 떼어 본 선형 근사 모델이다. 안정성과 진동을 분석할 때 쓴다. 감쇠 D 가 클수록 주파수 흔들림(Δω)이 빨리 잦아들고, 시정수 τ_v 가 전압 응답의 빠르기를 정한다.

5진동 모드와 안정성

인버터가 만드는 불안정은 "어느 주파수 대역에서 흔들리는가"로 구분한다. GFL과 GFM은 흔들리는 양상과 대역이 서로 다르다.

GFL 지배 진동 모드

PLL 진동 (2–15 Hz) — PLL과 약한 계통 임피던스 사이의 상호작용.
유효전력 진동 (0.5–5 Hz) — 전력과 위상각의 상호작용에 의한 진동.
약한 계통 상호작용 — 낮은 SCR이 제어기 간 상호작용을 증폭한다.
LCL 공진 (200–2000 Hz) — 필터 설계에 따라 발생.
서브동기 공진(SSR, 수 Hz–수십 Hz) — 직렬 보상이 있는 일부 계통에서 발생.

GFM 지배 진동 모드

스윙/전력 진동 (0.1–2 Hz) — 관성과 드룹 동역학에 의한 느린 진동, 그리고 그 감쇠.
전압 드룹 모드 (0.1–5 Hz) — Q–V 제어 상호작용.
LCL 공진 (200–2000 Hz) — 필터 설계에 따라 발생.

GFM은 관성과 드룹을 통해 동기 기계처럼 더 낮고 지배적인 주파수 대역으로 동작이 옮겨 간다.

SSR은 Sub-Synchronous Resonance(동기 주파수보다 낮은 대역의 공진)를 뜻한다. LCL은 인덕터·커패시터·인덕터로 구성된 필터의 자체 공진을 가리킨다.

6왜 GFL은 흔들리고, GFM은 버티는가

두 방식의 안정성 차이는 결국 피드백의 부호로 설명된다. GFL은 약한 계통에서 교란이 스스로를 키우는 양(+)의 피드백에 빠지기 쉽고, GFM은 교란을 스스로 줄이는 음(−)의 피드백으로 평형을 되찾는다.

그림 2. 약한 계통에서 GFL은 교란이 교란을 부르는 악순환(양의 피드백)으로 진동에 빠진다. GFM은 같은 교란에 내부 전압이 즉시 맞서며 교란을 줄여(음의 피드백) 평형을 회복한다.

GFL의 악순환: 계통이 약하면(낮은 SCR) 작은 외란에도 연계점 전압이 출렁인다. PLL이 흔들리는 전압을 추적하다 오차를 내고, 그 오차가 전류 주입을 어긋나게 하며, 어긋난 전류가 다시 전압을 더 흔든다. 이 고리가 계속 돌면서 교란이 점점 커진다.

GFM의 선순환: 같은 외란이 와도 GFM은 미리 세워 둔 내부 전압으로 즉시 맞선다. 드룹·스윙 제어가 충격을 흡수하고, 여러 GFM이 전력을 나눠 부담하며, 결과적으로 교란이 줄어들어 원래의 평형 상태로 돌아온다.

7계통 강도와 단락비(SCR)

두 방식의 운명을 가르는 가장 중요한 변수는 SCR(Short Circuit Ratio, 단락비)이다. SCR은 연계점에서 본 계통의 단락 용량을 인버터 정격으로 나눈 값으로, "계통이 얼마나 단단한가"를 나타낸다. 값이 클수록 강한(단단한) 계통, 작을수록 약한 계통이다.

비유 — SCR은 "내가 연결한 수도관의 굵기"

굵은 상수도 본관(강한 계통, 높은 SCR)에 호스를 꽂으면 내가 물을 아무리 빼 써도 본관의 수압은 거의 흔들리지 않는다. 반대로 가느다란 가지관(약한 계통, 낮은 SCR)에 꽂으면, 내가 조금만 많이 써도 수압이 출렁인다. GFL은 수압(전압)이 흔들리면 따라 흔들리지만, GFM은 스스로 펌프 역할을 해 수압을 붙잡아 준다.

표 1. 계통 강도(SCR)에 따른 거동 — 임계값은 연구·설정에 따라 달라지는 실무 경험칙 범위다.
SCR	GFL 거동	GFM 거동
> 10	매우 안정적	매우 안정적
5 – 10	안정적	안정적
3 – 5	PLL 상호작용 시작	일반적으로 안정적
2 – 3	진동 위험	대체로 안정(불안정 가능성)
< 2	높은 불안정 위험	더 강건(튜닝 필요)

8한눈에 비교하는 표

① 일반적인 시간 상수와 대역폭

표 2. 선형 제어 해석에서 흔히 쓰는 범위. 빠른 동작(위)일수록 시간 규모가 짧다.
항목	GFL	GFM
PWM 스위칭 주기	10 – 100 μs (주기 기준 ≈ 스위칭 주파수 10 – 100 kHz)
전류 루프	0.2 – 1 ms	0.2 – 1 ms
PLL	20 – 100 ms	해당 없음
P/Q 또는 V 루프	50 – 200 ms	50 – 200 ms
DC-링크 전압 루프	100 – 500 ms	100 ms ~ 수 초
MPPT	0.5 – 5 s	0.5 – 5 s

원본 인포그래픽은 이 행을 "PWM 스위칭 주파수 10–100 μs"로 표기했으나, μs(마이크로초)는 시간 단위이므로 주파수가 아니라 스위칭 주기가 정확하다. 주기 10–100 μs는 주파수로 환산하면 약 10–100 kHz다. 표는 시간 규모를 비교하기 위한 예시 범위다.

② 교란에 대한 응답

표 3. 같은 외란에 두 방식이 어떻게 다르게 반응하는가.
구분	GFL	GFM
전압 강하	전류 제한 때문에 주입이 줄어듦	내부 전압으로 전압을 지지
주파수 변화	주파수를 추종	주파수를 지지
관성	없음	(가상) 관성 제공
진동 위험	약한 계통에서 높음(PLL 상호작용)	드룹과 가상 임피던스로 낮아짐
블랙 스타트	불가	가능

블랙 스타트(black start)는 외부 전원이 없는 정전 상태에서 발전 설비가 스스로 전압을 세워 계통을 다시 일으키는 능력을 말한다.

③ 지배 진동 모드(일반 주파수)

표 4. GFM은 동기 기계처럼 더 낮은 주파수 대역에서 지배적으로 동작한다.
모드	GFL	GFM
PLL / 동기화	2 – 15 Hz	해당 없음
유효전력 진동	0.5 – 5 Hz	0.1 – 5 Hz
스윙 / 전력 진동	지배적이지 않음	0.1 – 2 Hz (지배 모드)
전압 드룹 모드	—	0.1 – 5 Hz
LCL 공진	200 – 2000 Hz	200 – 2000 Hz

9언제 무엇을 쓸 것인가

GFL을 쓰면 좋은 경우

SCR > 5 인 강한 계통
전압·주파수가 이미 안정적인 환경
효율성과 비용을 중시할 때
계통을 따라가는 추종 운전이면 충분할 때

GFM을 쓰면 좋은 경우

약하거나 외부와 떨어진(절연된) 계통
관성과 전압 지지가 필요할 때
블랙 스타트 기능이 필요할 때
마이크로그리드 등 계통을 직접 형성해야 할 때

10핵심 요약

다섯 문장으로 정리

GFL은 강한 계통에서는 효율적이지만 약한 계통에서는 취약하다.
GFM은 전압과 주파수의 기준을 스스로 형성·제공한다.
미래의 계통은 두 방식의 적절한 조합을 필요로 한다.
GFM은 계통에 안정성과 복원성을 더해 준다.
좋은 계통 설계의 핵심은 적절한 계통 강도(SCR) 확보와 제어 튜닝이다.

동작 역학을 제대로 이해하는 것이 태양광 인버터의 잠재력을 최대로 끌어내고, 더 강하고 지능적이며 재생 가능한 전력망을 만드는 열쇠다.