계통 유연성을 고려한 개선된 증감발 용량모델과 단기 발전계획에 적용

Abstract

최근 해외 각 국의 신재생 에너지 장려 정책과 맞물려 전력계통 내 신재생 에너지원 용량이 크게 증가하고 있다. 신재생 에너지의 증가는 전력가격 하락, 화력 발전량 감소를 통한 환경오염 물질 저감, 새로운 비즈니스 모델 창출 등과 같은 다양한 장점을 지닌다. 그러나 간헐적이며 변동성과 불확실성이 큰 특징을 가지고 있는 신재생 에너지는 전력품질, 전압관리, 주파수 안정, 송전혼잡, 예비력, 전원구성 등 다양한 시간대와 영역에서 전력계통 시스템에 큰 영향을 미치고 있다. 단기적인 공급 부족을 초래하여 수급 불균형을 발생시키거나 전력시장에서 실시간 에너지 가격의 변동성을 큰 폭으로 증가시키는 등의 문제를 야기한다. 특히, 신재생 에너지의 계통연계 용량이 증가하며 수 분, 수 시간 단위의 출력 변동성이 커져 수급 불균형이 발생하는 Ramping Event의 발생 빈도수가 증가하고 있다. 이처럼 신재생에너지원의 대규모 수용을 위해서는 적정 수준의 계통 유연성(Flexibility)을 확보하는 것이 중요해지고 있으며 그 필요량도 증가하고 있다. 신재생 에너지원의 불확실성과 변동성에 대응하기 위한 기존 연구들은 계통 예비력 용량을 추가 확보하거나 예비력을 제공할 수 있는 다양한 자원의 활용에 대한 연구들을 진행하였다. 예비력 자원을 활용한 방안은 경제적으로 비효율적이며 계통의 에너지 자원 부족 문제를 일으킬 수 있다는 한계점을 지니고 있다. 이러한 이유로 MISO(Midcontinent Independent System Operator) 및 CAISO(California Independent System Operator)와 같은 해외 전력계통은 유연 자원의 확보를 목표로 발전기의 출력 증감발 필요량(Ramping Requirement)을 산정하고 이를 제약조건으로 고려하여 발전계획을 수립하였다. 이러한 증감발 용량을 증감발 용량 상품(Ramping Product)이라 이름 짓고 이를 확보하기 위한 시장을 도입하였다. 본 논문에서는 기존 증감발 용량 모델을 통한 발전계획 수립의 한계점을 보완한 개선된 증감발 용량 모델을 제안하였다. 구체적으로 개별 발전기의 예비력 의무제약을 고려하여 실효 증감발 용량을 반영하였다. 또한, 계통의 증감발 의무용량을 확보할 때 기존 방법은 예측 불확실성을 위한 용량에 대해 고정된 값을 적용하였으나 이는 계통에서의 풍력발전 참여율이 증가할 경우 충분한 계통 유연성을 확보할 수 없다는 한계점을 지니고 있다. 이를 보완하기 위해 확률론적 방법을 활용하여 순부하와 발전기의 불확실성을 고려한 계통 여유 용량 함수를 도출하였다. 이를 통해 계통 신뢰도를 일정 수준 이상 유지할 수 있는 증감발 의무용량을 결정하였다. 또한, 실시간 경제급전뿐만 아니라 전일 기동정지계획에서도 증감발 의무용량을 반영한 발전계획을 세워 증가하는 변동성에 대응할 수 있는 발전계획을 수립하였다. 이에 더하여, 신재생 에너지 증가로 발생하는 유연 자원 부족 문제를 해결하기 위해 인센티브 수요반응 자원이 증감발 용량 상품을 제공하는 모델을 제시하였다. 최근 이루어지고 있는 지능형 전력계량장치(AMI)의 기술 발달과 보급 확대는 수요자원의 전력 시장 참여를 증가시킬 수 있을 것이기 때문이다. 소규모 계통인 IEEE 6 모선 계통과 10-unit 계통을 통해 제안한 방법의 유효성을 확인하였고, IEEE 118 모선의 사례연구를 통해 대규모 계통에 적용 가능함을 확인하였다. 사례 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

✓ 제안한 개선된 증감발 모델은 계통 신뢰도를 고려하여 적정 증감발 의무용량을 산정하였고 이를 통해 수급 불균형으로 인한 공급지장비용과 증감발 용량의 과다 확보로 인한 비용손실을 줄였다. ✓ 풍력발전 참여율 증가에 따른 유연성을 확보함으로써 풍력발전의 기대 삭감용량을 줄여 계통의 풍력 수용률을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. ✓ 증감발 용량의 수요곡선을 시간별로 도출하였으며 각 시간에 따라 계통 상황을 반영한 증감발 용량의 경제적 가치를 평가하였다. 계통운영자는 이를 통해 계통 상황과 발전기 입찰에 따라 계통 신뢰도와 비용의 trade-off 관계를 고려하여 효율적인 계통 운영을 할 수 있다. ✓ 인센티브 수요반응 자원을 증감발 용량 자원으로 활용하여 계통의 총 기대운영을 감소시킬 수 있고 일간 평균 에너지 가격의 변동성을 낮출 수 있었다. ✓ 풍력 참여율과 보상 인센티브에 따라 수요반응 이용 용량이 달라졌으며 이는 계통 유연성과 비용의 관계를 고려한 최적 발전계획이 수립되었음을 의미한다.