ESS가 주파수를 ‘따라가지’ 않고 ‘만든다’ — 그리드포밍 성능요건 마련과 1996년 GE 특허가 이미 풀어 둔 것

이 글은 2026-09-23에 작성해 이벤트 발생일(2026-06-24)로 소급 게재했다. 특허 서지·청구항은 작성일에 Google Patents 원문으로 확인한 값이다.

① 무엇이 화제인가

2026년 6월 24일 기후에너지환경부는 전력망 안정화 기술인 그리드포밍(Grid-Forming)의 성능 요건을 마련해, 2027년 12월부터 상업운전을 시작하는 중앙계약시장 ‘장주기 에너지저장장치(ESS)’에 우선 적용한다고 밝혔다.[1]

업계 상황은 이렇다. 재생에너지가 늘수록 인버터로 계통에 붙는 설비가 늘고, 회전하는 발전기가 자연스럽게 제공하던 관성(inertia)이 줄어든다. 긴장 요인은 여기서 나온다. 기존 그리드팔로잉(Grid-Following) 인버터는 계통의 전압과 주파수를 수동적으로 ‘따라가는’ 방식이어서[1], 따라갈 기준 자체가 흔들리면 스스로 기준을 잡아 주지 못한다. 정부는 한국전력공사·전력거래소·학계·국내 인버터 제작사와 협력해 송전용 ESS의 성능 기준을 마련했다고 설명했다[1].

이 글이 답할 질문은 이것이다. 그리드포밍 요건은 ESS 인버터에 무엇을 요구하며, 그 기본 제어 구조는 누구의 권리였고 지금은 어디에 권리가 남아 있는가.

② 기본 원리 — 반주에 맞춰 부르는 가수와 음을 잡아 주는 반주자

그리드팔로잉 인버터는 계통 전압의 위상을 측정해 거기에 맞춰 전류를 넣는다. 반주에 맞춰 노래하는 가수와 같다. 그리드포밍 인버터는 스스로 전압의 크기와 주파수를 만들어 내고, 계통이 흔들리면 그 기준을 붙잡아 준다. 반주자 쪽이다. 정부 설명대로 그리드포밍은 ESS·태양광 같은 인버터 기반 설비가 전압과 주파수를 자체적으로 형성하도록 제어하는 기술이며, 관성과 강건성 같은 계통 안정화 기능을 제공할 수 있다[1].

핵심은 ‘무엇을 지령하느냐’다. 팔로잉은 전류를 지령하고, 포밍은 전압과 위상을 지령한다. 그래서 그리드포밍 요건은 배터리 셀이 아니라 인버터 제어 알고리즘과, 그 알고리즘이 순간적으로 요구하는 출력 여유(배터리가 즉시 내줄 수 있는 전력)에 걸린다.

③ 비교 — 두 방식과 적용 일정

구분	그리드팔로잉(GFL)	그리드포밍(GFM)
전압·주파수	계통 값을 수동적으로 추종	자체적으로 형성
계통 기여	전력 공급 중심	관성·강건성 등 계통 안정화 기능 제공
정부 적용 대상	—	2027년 12월 상업운전 예정 중앙계약시장 장주기 ESS에 우선 적용

도입 연도	장주기 ESS 도입 규모	지역
2027년	540MW	육지·제주
2028년	540MW	(보도에 지역 구분 없음)
2029년	600MW	육지

이 표가 말하는 것: 3년간 합계 1,680MW의 장주기 ESS가 그리드포밍 요건을 달고 들어올 수 있는 창이 열렸다. 요건이 적용되는 대상은 셀이 아니라 인버터이므로, 이 물량의 부가가치 일부는 셀 메이커가 아니라 전력변환장치(PCS) 제작사 쪽으로 이동할 가능성이 있다.

④ 특허 관점 — 뼈대는 1996년에 출원돼 이미 만료됐다

그리드포밍이 ‘신기술’로 소개되지만, 배터리 ESS 인버터가 주파수를 우선 제어하는 기본 구조는 오래전에 특허로 공개됐다. General Electric Co.의 US5798633A「Battery energy storage power conditioning system」은 출원일 1996-07-26, 등록일 1998-08-25, 청구항 15개이며, Google Patents상 상태는 Expired – Lifetime(예상 만료일 2016-07-26)이다[2]. 초록은 이 시스템이 전력 제어보다 주파수 제어를 우선하고, 인버터 출력의 주파수 변화에 따라 전력을 조정한다고 설명한다.

US5798633A 청구항 1 구성요소 (원문 요지)	그리드포밍 인버터 제어의 일반 구성	대응
(a) DC 전원과 계통을 병렬로 잇는 고체 인버터의 제어 시스템	배터리 ESS용 PCS	대응
(b) 전압 지령·위상 지령 신호에 따라 스위칭 신호를 만드는 게이팅 로직(위상 지령이 출력 주파수·위상을 결정)	전압원(voltage source) 방식 제어	대응
(c) 설정 부하전압과 측정 전압의 차이로 전압 지령을 만드는 전압 조절기	전압 제어 루프	대응
(d) 인버터 출력 주파수를 기준 주파수와 비교해 전력 오프셋 신호를 만드는 전력 조절기	주파수-유효전력 드룹 등	구현에 따라 다름
(e) 전력 오프셋과 전력 오차로 위상 이동 신호를 만들어 측정 위상에 더해 유효전력을 조절	위상각 조정을 통한 유효전력 제어	구현에 따라 다름

이 특허가 만료됐다는 것은 ‘배터리 인버터를 전압원으로 운전하고 주파수를 우선 제어한다’는 뼈대가 이 특허로 막히지 않는다는 뜻이다. 활성 권리는 구현의 세부로 이동했다. 예를 들어 General Electric Renovables Espana SL의 US11671039B2(우선일·출원일 2020-12-10, 등록일 2023-06-06, 상태 Active, 조정 존속기간 만료 예정 2041-01-27, 청구항 16개)는 외부 제어기에서 주파수·전압 기준 지령을 받아 전력 기준을 정하고, 이를 전류 벡터로 만든 뒤 d-q 좌표계를 위상각으로 a-b-c 좌표계로 회전시켜 전압 지령을 얻는 폐루프 제어를 청구하며, 청구항 2에서 이를 가상 동기기(VSM) 에뮬레이션으로 한정한다[3]. 대응 출원은 캐나다·유럽·스페인·덴마크·브라질·중국에서 확인됐고, 한국 대응 출원은 이번에 확인되지 않았다.

여기서 읽어야 할 통찰은 이렇다. 성능 요건은 ‘무엇을 해내야 하는가’를 정하고, 특허는 ‘어떻게 해내는가’에 걸린다. 뼈대 구조가 이미 만료된 이상, 국내 PCS 제작사의 FTO 부담은 요건 충족 자체보다 선택한 제어 알고리즘의 구체 구성에서 생길 가능성이 크다. 회피 설계 시나리오로는 전류 벡터를 거치지 않고 전압 지령을 직접 생성하는 구조, 가상 동기기 방정식 대신 드룹 기반 구조를 택하는 방안이 검토 대상이나, 실제 비침해 여부는 청구항 해석과 개별 알고리즘에 따라 달라질 수 있다.

⑤ 한계와 전망

낙관적으로 보면 정부가 밝힌 대로 국내 인버터 제작사가 그리드포밍 역량을 바탕으로 해외 시장 경쟁력까지 확보하는 그림을 그릴 수 있다[1].

반대 시나리오도 있다. 그리드포밍은 배터리에 ‘늘 비워 둔 여유’를 요구한다. 관성을 흉내 내려면 순간 출력을 낼 수 있어야 하므로, 전력 시장에서 에너지를 사고파는 용도로 쓸 수 있는 용량이 그만큼 줄어든다. 성능 요건의 세부 수치가 공개되지 않은 상태에서는 이 여유가 사업성에 미치는 영향을 가늠하기 어렵다.

전략적 대안을 제시하면, 그리드포밍 대응을 ‘인버터 교체’가 아니라 ‘출력 여유 + 제어 알고리즘 + FTO’의 세트로 입찰 전에 확정하는 것이다. 알고리즘 공급원이 해외라면 해당 알고리즘을 덮는 특허의 한국 등록 여부부터 확인해야 한다.

확인할 액션(기획·IP 담당자): 중앙계약시장 장주기 ESS 입찰을 검토 중이라면, 채택할 PCS의 그리드포밍 제어 방식이 전류 벡터 기반 가상 동기기 구조인지 공급사에 확인하고, 해당된다면 US11671039B2의 한국 대응 출원 존재 여부를 KIPRIS에서 조회할 것.

확인이 필요한 항목

• 그리드포밍 성능 요건의 세부 수치(관성 상수, 응답 시간 등)는 보도에서 공개되지 않았다.
• 2028년 장주기 ESS 540MW의 지역 구분은 보도에서 확인되지 않았다.
• US11671039B2의 한국 대응 출원 여부는 확인하지 않았으며, 본문의 대조는 특정 기업 제품의 침해를 시사하지 않는다.

출처

1. 인더스트리뉴스, 「전력망 안정화 핵심 ‘그리드포밍’ 본격 도입… 2027년 장주기 ESS부터 적용」, 2026-06-24. 기사 링크
2. Google Patents, US5798633A 「Battery energy storage power conditioning system」 서지사항·초록·청구항 1(2026-09-23 원문 확인). 원문
3. Google Patents, US11671039B2 서지사항 및 청구항 1·2(2026-09-23 원문 확인). 원문