기호 설명

1. 서 론

재생 에너지원의 보급이 확대됨에 따라 전력계통 내 관성이 저하되는 문제가 발생한다. 재생 에너지원과 기존 전력계통과의 연계를 위해서는 인버터 기반 자원(Inverter-Based Resource, IBR)이 필수적이다. 하지만 IBR은 전력계통과 측정·제어 기반으로 결합하기 때문에 관성을 직접적으로 공급할 수 없다. 이에 따라 재생 에너지원과 IBR의 비중이 높아질수록 계통 관성이 저하된다^[1].

그리드 포밍(Grid-Forming, GFM) 인버터는 관성을 제공해 이러한 한계를 극복할 수 있다. 기존 인버터 제어 방식인 그리드 팔로잉(Grid-Following, GFL) 인버터는 위상 고정 루프(Phase Locked Loop, PLL)을 사용해 계통 전압의 위상과 주파수를 추종한다. 반면 GFM은 P-w, Q-V Droop 제어 구조를 가지기 때문에 자체적으로 전압과 주파수를 형성한다^[2]. 이러한 특성으로 인해 마이크로그리드와 같은 인버터 비중이 높은 계통에서 안정도 지지 역할을 수행할 수 있다.

마이크로그리드는 운영 방식에 따라 전략이 달라지게 된다. 운영 방식은 계통과 연결되는 모드(Grid-Connected mode, GC mode)와 단독운전 모드(Islanding mode)로 구분할 수 있다. GC mode에서는 최적의 경제적인 운영이 우선시된다. 반면, 단독운전 시에는 지역 부하에 안정적으로 전력을 공급하는 것이 목표가 된다. 따라서 적절한 제어 전략을 수립하기 위해 마이크로그리드가 단독운전 모드인지 명확하게 인지해야 한다^[3].

단독운전(Islanding)은 전력계통에서 분산 자원과 부하의 일부가 분리되어도, 분산 자원에 의해 전력이 계속 공급되는 상황을 말한다^[5]. 단독운전은 마이크로그리드와 같은 의도적 단독운전(Intentional Islanding)과, 비의도적 단독운전(Unintentional Islanding)으로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 후자의 경우를 대상으로 한다. 이러한 제어 구조로 안해 GFM은 비의도적인 단독운전이 발생했을 때 감지하지 못할 가능성이 비교적 크다^[4].

비의도적 단독운전은 계통 고장이나 설비 고장, 계통 정비와 같은 원인으로 발생한다. 계통 고장으로 인한 비의도적 단독운전은 전압과 주파수에 순간적인 과도현상이 발생해 비교적 쉽게 감지될 수 있다. 하지만 개폐기 오작동과 같은 설비 고장으로 인한 단독운전은 과도 없이 발생하기 때문에 감지가 더 어려워질 수 있다. 단독운전이 발생하면, 위상이 맞지 않은 상태에서 재폐로하게 될 시 과전압이나 과전류가 발생할 위험이 있다^[4]. 이에 따라 IEEE Std. 1547-2018 및 929-2000에 의하면 단독운전을 감지하고 전원을 중단하기까지 2초 이내로 수행하도록 규정되어 있다^{[5- 6]}.

그림 1. 단독운전 감지 방법

Fig. 1. Islanding Detection Method

단독운전 감지 방법(Islanding Detection Method, IDM)은 크게 Remote 방식과 Local 방식으로 나눌 수 있다. 첫 번째로 Remote 방식에는 통신 기반 방법(Communication-based Method)가 있다. 차단기나 개폐기의 상태를 모니터링하고 서로 통신하여 단독운전을 감지하는 방법이다. 감지 성능은 인버터 제어 방식에 구애받지 않고, 가장 빠르고 정확하다. 하지만 비용 문제와 통신 인프라에 의존도가 높다. 두 번째 Local 방식에는 수동식 방법(Passive Method), 능동식 방법(Active Method), 수동식과 능동식을 결합한 하이브리드 방법(Hybrid Method)이 있다. 수동식 방법은 주파수나 전압, 고조파 등의 전기량을 단순히 측정하여 단독운전을 감지하는 방법이다. 하지만 특히 GFM과 같이, 단독운전 전후 크게 차이가 나지 않는 상황에서는 검출이 불가능할 확률이 커진다. 능동식 방법은 의도적으로 외란이나 섭동을 주입하여, 전압이나 주파수 등의 반응을 관찰하는 방법이다. 수동식 방법에 비해 검출 불가 영역(Non-Detection Zone, NDZ)이 작아 감지 성능이 더 우수하다. 그러나 계통에 연결되어 있는 경우에 섭동이나 외란을 주입하면 계통에 불안정성을 야기할 수 있다^{[3, 7- 9]}. 하이브리드 방법은 수동식 방법과 능동식 방법을 결합한 방법이다. 전압이나 주파수와 같은 수동식 지표를 통해 단독운전이 의심되는 경우에만 능동식 방법을 활성화하는 방식이다. 이러한 방식은 능동식 방법의 외란 주입으로 인한 전력 품질 저하를 최소화하면서도, 수동식 방법의 검출 불가 영역을 보완할 수 있다^[10].

본 논문에서는 하이브리드 방법을 기반으로, GFM 기반 단독운전 감지 방법을 제안한다. 1차적인 수동식 지표로 주파수 변화율(Rate of Change of Frequency, RoCoF)을, 2차적인 능동식 방법으로 전압 기준값 섭동 방법을 활용한다. IEEE Std. 929-2000의 Nonislanding Test 계통을 기반으로 시뮬레이션을 진행한다. GFM의 단독운전 시 전압, 전류, 주파수 등은 큰 변화가 없을 수 있으므로, 작은 유효전력 불일치에도 민감하게 반응하는 RoCoF를 수동식 지표로 삼는다. RoCoF가 설정값을 초과하면, 2차적으로 GFM의 입력신호인 전압 기준값 을 정상 전압 범위 내에서 섭동시킨다. 이는 RoCoF가 설정값을 초과하는 경우인 고장과 같은 과도현상을 단독운전 상황과 분리하여 감지하기 위함이다. 최소한의 섭동 크기를 산정하고자 전력계통의 강건도 지표인 SCR(Short Circuit Ratio)에 따라 시뮬레이션을 진행했다.

기존의 IDMs는 비의도적인 단독운전 발생 시, 인위적으로 전압이나 주파수 허용범위 밖으로 이탈시켜 차단을 유도하는 방식이 일반적이다. 그러나 GFM 인버터는 전압 및 주파수 지지 기능을 통해 계통 안정도를 향상시키는 것을 목적으로 하므로, 이러한 방식은 불필요한 전력 품질 저하를 유발할 수 있다. 더불어 GFM의 그리드 코드는 아직 정립되지 않은 단계로, 단독운전 발생 시의 운전 전략에 대한 논의가 필요하다^[4]. 이에 본 논문에서는 GFM의 비의도적인 단독운전을 즉시 차단해야 하는 상태보다는, 우선 정확한 감지 후 계통 운영자가 적절한 조치를 수행할 수 있는 상태 정보로 활용하는 것이 더 적합하다고 판단한다. 따라서 전압 및 주파수의 정상 운전 범위를 유지하며, 다양한 계통 강도 조건에서도 검출 가능한 GFM 단독운전 감지 방법을 제안한다.

2. GFM 제어 방식

GFM은 GFL과 다르게, PLL을 사용하지 않는다. GFM의 Outer Loop에서 P-w 및 Q-V 드룹 제어를 통해 계통과의 동기화를 수행한다.

이후 Inner Loop에서 전압 제어와 전류 제어를 거친다. 최종적으로 P, Q, F, V의 각 기준값을 추종할 수 있다. 아래 그림 2는 GFM의 전체 구조를 나타낸다.

그림 2. 그리드 포밍 제어의 전체 구조

Fig. 2. Overall structure of grid-forming control

3. 제안하는 단독운전 감지 방법

3.3 GFM 기반 단독운전 감지 방법

제안하는 GFM 기반 단독운전 감지 방법은 그림 3과 같다. 예민한 지표인 RoCoF로 이상 징후를 1차적으로 감지한다. RoCoF가 0.5(Hz/s) 이하이면 Grid-Connected Mode라고 볼 수 있다.

만약 RoCoF가 이 설정값을 초과하면 2차적으로 GFM의 입력인 를 섭동시킨다. 이는 고장과 같은 과도현상과 단독운전을 분리해 판별하기 위함이다. 연계 상태에서는 계통 전압을 우선적으로 따라가기 때문에 이 섭동에 크게 반응하지 않을 것이다. 하지만 단독운전 상태에서는 GFMI이 전압을 형성하는 주체이기 때문에 이 섭동에 반응하게 된다.

를 섭동시키는 정도는 SCR에 따라 달라지도록 설정한다. SCR이 낮은 약계통인 경우, 연계 상황이더라도 인버터의 영향력이 커지게 된다. 따라서 본 논문에서는 SCR이 2.0 이상이면 의 5(%)를, 2.0보다 작으면 의 6(%)를 섭동 크기로 설정하였다.

이후 인버터의 출력전압이 섭동이 반영된 를 얼마나 추종하는지에 따라 단독운전을 판별한다. 그 차이가 0.01 (PU)보다 작으면 단독운전이라고 판단한다.

그림 3. 제안하는 GFM 기반 IDM 순서도

Fig. 3. Proposed GFM-based IDM flowchart

4. 시뮬레이션 결과

4.1 IEEE Std. 929-2000의 Nonislanding Test 계통

인버터가 Utility System 없이 정상적으로 운행을 할 수 없음을 검증하는 시험이다. 본 논문에서 제안하는 GFM 기반 IDM을 이 시험 기준으로 검증하고자 한다.

그림 4. Nonislanding 인버터 시험계통

Fig. 4. Nonislanding Inverter Test System

해당 시험계통에서 Utility System으로부터 공급받는 유효전력과 무효전력, 전류가 거의 0인 상황은 단독운전임을 감지하기 가장 어려운 조건이 된다. 시험계통의 파라미터는 표 1과 같이 설정했다.

표 1. 시험계통 파라미터

Table 1. Test System Parameter

Parameter	Value	Unit
Rated Voltage	380	V
Rated Frequency	60	Hz
MVA Rating of Inverter	1	MVA
GFM P Reference	0.1	MW
GFM Q Reference	0	MVAR
GFM P-w Droop Ratio	5	%
GFM Q-V Droop Ratio	5	%
GFM Voltage Control Proportaional Gain	0.5
GFM Voltage Control Integral Time Constant	0.1

그림 5. GFM 인버터 단독운전 발생시 주파수, 전압 응답

Fig. 5. Frequency and Voltage response during islanding of a GFM inverter

4.2 단독운전 발생 시 GFM 인버터 동작 특성

시험 계통에서 GFM 인버터의 단독운전 상황을 모의한 결과, 단독운전 발생 전후에 PCC 전압 및 주파수에서 유의미한 변화를 관측하기 힘들다. 이는 정상 전압 범위인 0.88~1.1(PU) 및 정상 주파수 범위 59.3~60.5(Hz)를 벗어나지 않는 NDZ에 해당하는 운전 상태임을 확인했다. 이러한 결과는 GFM의 전압과 주파수를 자체적으로 형성하고 외란에 대해 자율적으로 유지 및 보상하려는 특성에 기인한다. 따라서 기존의 단독운전 검출 방식 중 Passive Method은 GFM 인버터가 연계된 경우에는 적용하기 어려워진다.

그림 6. 제안하는 IDM 결과

Fig. 6. Results of the proposed IDM

그림 7. SCR=2에서 요구되는 전압 섭동 크기

Fig. 7. Required voltage perturbation at SCR=2.0

4.3 단독운전 발생 시 제안하는 IDM 결과

그림 7은 단독운전이 발생한 경우 제안하는 IDM의 결과이다. 단독운전 발생 시 전압 및 주파수에 비해 관찰 가능한 지표로 RoCoF를 수동식 지표로 설정하였다. 단독운전으로 인해 RoCoF가 설정값을 초과하면, 전압 기준값을 섭동을 시작하는 의 신호가 활성화된다. 이후 인버터의 출력전압과 섭동된 전압 차의 크기를 연산한다. 1초 동안 0.01(PU) 이내를 만족하면 단독운전이라고 판단한다. 이러한 절차를 통해 IEEE Std. 929-2000에서 요구하는 단독운전 검출 시간인 2(s) 이내로 검출 시간을 만족시킬 수 있다.

하지만 SCR이 낮은 계통일수록 계통의 영향이 작아, 단독운전이 아닌 상황에서도 PCC 전압이 섭동 전압 레퍼런스를 따라가 단독운전으로 잘못 판단할 우려가 있다. 또한 전압 기준값의 변화를 최소화하기 위해, 본 논문에서는 3상 고장 발생 상황을 SCR별로 모의했다.

그림 8. SCR=0.5에서 요구되는 전압 섭동 크기

Fig. 8. Required voltage perturbation at SCR=0.5

강계통일수록 계통 전압의 영향을 많이 받는다. 이 때 적어도 5[%] 정도의 섭동을 주어야 안정적인 판별이 가능하다. 그림 7의 SCR이 2인 계통에서도 2[%]수준의 섭동에는 오판정을 하지만, 5[%]의 V_ref 섭동을 적용한 경우에는 정상 연계 상태로 정확히 판단하였다. 즉, 약계통일수록 정확한 감지를 위해 보다 더 큰 폭의 섭동이 필요하다.

4.4 비단독운전 상황과의 구별 성능

단독운전 감지는 계통 고장이나 부하 증가와 같은 과도 이벤트와 명확히 구분되어 판단되어야 한다. 특히 본 논문에서 제안한 단독운전 감지 방법은 RoCoF를 전압 기준값 섭동의 활성화 신호로 사용하기 때문에, 이러한 이벤트 시에는 전압 기준값 섭동이 활성화될 수 있다. 따라서 과도 이벤트가 단독운전으로 오인되지 않는지를 검증하는 과정이 필요하다.

그림 9. 3상 고장과 단독운전과의 구분 결과

Fig. 9. Discrimination between Three-Phase fault and islanding

그림 10. 부하 증가와 단독운전과의 구분 결과

Fig. 10. Discrimination between Load increase and islanding

단독운전이 아닌 고장 상황에서 제안하는 단독운전 감지 방법을 적용했다. 그림 3.6과 같이, Nonislanding 인버터 시험 계통에서 3상 고장을 0.05(s) 동안 발생시킨다. SCR은 7인 비교적 강건한 계통에서 전압 기준값 섭동 크기는 5(%)로 설정했다. 그림 9은 단독운전이 발생하지 않고, 3상 고장만 10(s)에 발생하도록 시험 시나리오를 구성하였다. 분석 결과, 제안한 IDM은 3상 고장으로 인한 과도현상에 대해서는 단독운전으로 판단하는 오동작이 발생하지 않는다. 실제 단독운전 발생 시에만 단독운전으로 명확히 판별할 수 있음을 확인했다.

또한 그림 10과 같이 부하 증가 시에도 단독운전과 구분하여 판단할 수 있어야 한다. 3상 고장 시와 마찬가지로, 단독운전과 부하 증가는 구분되어 판별하는 것을 확인했다.

5. 결 론

본 논문에서는 RoCoF(Rate of Change of Frequency) 및 GFM 인버터의 입력인 기준 전압값 에 섭동을 발생시켜, GFM 기반 새로운 단독운전 감지 방법을 제안하였다. RoCoF를 활용하여 1차적인 이상 상태를 검출하고, 이후 GFM 인버터의 에 소규모 섭동을 발생시켜 전압 추종 여부를 분석해 단독운전을 판별한다. 특히 V_ref의 섭동 단계를 통해, RoCoF가 변동하는 단독운전과 고장 상황을 구분하여 판별할 수 있다. 또한 섭동 정도를 계통 SCR에 따라 설정하였으며, 다양한 계통 SCR 조건에서 실행할 수 있음을 확인했다. 제안된 방법은 IEEE Std. 929-2000의 Nonislanding 시험 계통을 기반으로 PSCAD/EMTDC 시뮬레이션을 통해 수행하여 검증하였다.

기존 단독 운전 감지 방법이 전류원 기반의 GFL 인버터를 전제로 설계되어 GFM 인버터에는 적용이 어렵다. 특히 전압, 주파수 교란이나 Phase Shift 기반 IDM은 GFM의 전압원 특성 및 Droop 제어를 약화시켜 감지 성능을 떨어뜨린다. GFM의 Q-V Droop 특성을 고려하며, NDZ가 존재하지 않고 GFM 제어와 호환되는 장점을 가진다. 또한 다른 방법들에 비해 간단한 감지 방식으로 구현이 쉽다. 표 2는 제안하는 단독운전과 기존의 IDMs와의 비교를 나타낸다^{[3, 7]}.

기존의 IDMs는 비의도적인 단독운전 발생 시, 인위적으로 전압이나 주파수 허용범위를 벗어나도록 유도한다. 이 후 계전기나 내부 제어기에 의해 감지된 후 전원이 중단되도록 한다. 하지만 현재 GFM의 Grid-Code는 아직 논의 중이다. 본 논문에서는 GFM의 비의도적인 단독운전은 즉시 차단해야 하는 위험한 상태로 간주하기 보다는, 우선 정확히 감지 후 계통 운영자가 적절한 조치를 수행할 수 있도록 상태 정보로 활용하는 것이 더 적합하다고 판단한다. 따라서 지금까지의 IDMs과는 다르게, 전압 및 주파수의 허용범위 내에서 단독운전 감지하는 방법을 제안하였다. 향후 연구로는 계통 임피던스 변화를 고려한 SCR의 실시간 추정과 이에 기반한 전압 섭동의 적응적 조정 기법이 필요하다.