GFM 컨버터의 모드 변환이 GFL 컨버터 안정성에 미치는 충격

본 논문은 재생에너지 기반 전력 시스템에서 그리드 포밍(GFM) 컨버터와 그리드 팔로잉(GFL) 컨버터가 공동 접속점(PCC)에 연결된 협조 시스템의 과도 안정성을 다룹니다. GFM 컨버터는 시스템 강성 강화에 기여하지만, 내재된 전류 제한기로 인해 정상상태에서는 정전압 제어(CVC) 모드, 과도상태에서는 전류 제한 제어(CLC) 모드 사이를 동적으로 전환합니다. 이 모드 스위칭 현상이 인접 GFL 컨버터의 PLL 동기화 안정성에 심각한 위협을 줄 수 있으나, 이에 대한 체계적 연구는 미흡했습니다. 논문은 먼저 이 '스위치드 시스템'을 위한 수학적 모델을 구축합니다. GFL 컨버터의 PLL 동역학을 안정성 분석의 주체로, GFM 컨버터의 드룹 제어 기반 APL 동역학을 시스템 모드(CVC 또는 CLC)를 결정하는 조건으로 설정합니다. 가정 조건 하에서 시스템 방정식을 유도한 후, GFM이 CLC 모드로 전환되는 조건을 GFM의 내부 각도(δ)와 GFL의 PLL 각도(θ)에 대한 함수로 각각 분리하여 도출합니다. 이는 두 컨버터의 동작이 서로에게 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 기초가 됩니다. 이론적 분석 파트에서는 세 가지 주요 내용을 다룹니다. 첫째, CVC 서브시스템과 CLC 서브시스템 각각에 대해 GFL PLL의 정상 평형점(SEP)과 안정성 경계(Stability Boundary)를 해석적으로 분석합니다. 둘째, 두 서브시스템의 안정성 경계를 비교하여, 일반적으로 CLC 서브시스템의 안정 영역이 CVC 서브시스템보다 좁음을 보입니다. 셋째, 가장 중요한 것으로, GFL PLL의 각도 진동(θ 변동)이 GFM의 모드 전환 조건을 유발하고, 이 모드 전환이 다시 PLL 동역학에 영향을 미치는 상호작용 과정을 추적합니다. 에너지 함수 기반의 분석을 통해, 시스템 전체의 과도 안정성은 CLC 서브시스템의 안정성 경계에 의해 지배받으며, GFM이 CLC 모드로 진입하는 순간 PLL의 안정 마진이 결정적으로 줄어든다는 결론을 내립니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 논문은 'Virtual Fixed d-axis Control(VFDC)' 전략을 제안합니다. 이 방법의 핵심은 두 가지입니다. (1) GFL 컨버터 측: 여러 대의 GFL 컨버터가 서로의 전류에 의해 발생하는 유해한 상호 간섭(耦合) 항을 가상 임피던스를 통해 보상하여 제거함으로써, 각 GFL 컨버터가 독립적으로 안정화될 수 있도록 합니다. (2) GFM 컨버터 측: CLC 모드에서의 전류 위상각(η1)을 PLL 각도(θ)의 함수로 적응적으로 조절하는 알고리즘을 도입합니다. 이를 통해 시스템 과도 상태 후 GFM이 원하는 CVC 모드의 평형점으로 자연스럽게 수렴하도록 유도합니다. VFDC의 가장 큰 장점은 타 컨버터나 시스템 전체 상태에 대한 정보가 아닌, 각 컨버터 자신의 로컬 측정값만을 사용하여 구현이 가능하다는 점입니다. 마지막으로, 단순 모의실험을 넘어 Controller Hardware-in-the-Loop(CHIL) 테스트를 통해 제안된 VFDC 방법이 기존 방법 대비 GFL 컨버터의 과도 안정성을 현저히 향상시키고, GFM 컨버터의 CVC 모드 수렴을 보장함을 입증합니다. 논문은 GFM/GFL 혼합 시스템의 설계 및 운영에 있어 모드 스위칭 현상을 반드시 고려해야 할 중요 요인으로 부각시키며, 실용적인 해결책을 제시함으로써 고재생에너지 시스템의 안정적 운영에 기여할 수 있는 연구입니다.