열과 전기의 통합에너지시스템에서 선형화된 부하-에너지 곡선을 활용한 전원계획 수립 방안

Abstract

최근 사회적, 환경적 규제로 인하여 높은 발전효율을 가지고 있는 분산전원들의 건설이 활발하게 추진되고 있다. 이러한 추세에 따라 큰 규모를 가지며 중앙집중적인 에너지시스템이 작은 규모를 가진 분산화된 에너지시스템으로 변화하고 있다. 이러한 에너지시스템에서는 전원들과 부하 사이의 거리가 가까워 에너지 손실이 줄어들고, 에너지원의 상호의존성을 이용하여 효율적인 시스템 운영이 가능하다. 여기서, 에너지의 상호의존성이란 열, 전기, 가스와 같은 에너지원들이 서로의 운영에 영향을 주는 성질을 의미한다. 예를 들어, 열과 전기를 동시에 효율적으로 생산할 수 있는 열병합발전의 활용은 연료를 적게 사용할 수 있게 만들어준다. 이처럼 에너지원들의 상호의존성을 고려하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 만들어주는 소규모 에너지시스템을 통합에너지시스템이라 한다. 통합에너지시스템에서 열과 전기를 효율적으로 공급하기 위해서는 에너지 자원들의 특성을 고려한 전원계획 방안을 필요로 한다. 이전 연구들에서는 주로 열병합발전이 포함된 통합에너지시스템 모델을 구성하고, 이 자원의 설치계획을 수립하는데 초점을 맞추었다. 앞으로의 통합에너지시스템에서는 다양한 분산자원들이 사용될 수 있기 때문에, 열병합발전뿐만 아니라 이러한 자원들을 고려한 전원계획이 수립될 수 있어야 할 것이다. 전원계획 최적화 문제에서는 1년에 대한 부하데이터를 크기 순으로 정렬한 부하지속곡선이 사용된다. 필요한 에너지량을 계산하는 과정에서 이 곡선의 부하량을 시간에 따라 적분하는 과정을 필요로 하며, 이 과정은 비선형적인 제약조건을 유발한다. 이러한 제약조건들로 인해 최적화 문제의 해를 수학적인 방법이 아닌 실행가능한 좋은 해를 찾는 메타휴리스틱 방법을 사용해야 한다. 이 방법들은 계획 기간이 1년 이상이고, 다양한 설비들의 설치를 결정해야 하는 전원계획 최적화 문제의 해를 찾기 어려운 특성을 가지고 있다. 따라서 이 문제의 해를 찾을 수 있는 가능성을 높이기 위하여 혼합정수선형계획법 기반의 최적화 문제로 변환하는 연구들이 제안되었다. 이 방법에서는 모든 제약조건들이 선형화된 식으로 정식화되고, 수학적인 방법으로 최적화 문제의 해를 찾을 수 있다. 전원계획에서 활용되는 부하지속곡선의 선형화를 위해 부하지속곡선을 계단형 함수로 근사화하는 방법이 존재한다. 하지만 이 방법에서는 구간의 개수, 길이를 설정하는 기준들이 일관되게 적용되지 않았다. 또한 소규모 에너지시스템에서 부하지속곡선을 활용하여 공급 에너지를 계산하는 것은 정확도가 떨어지는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 이유들로 인하여 계단형 부하지속곡선의 사용은 혼합정수선형계획법 기반의 통합에너지시스템 전원계획 최적화 문제의 적용에 적합하지 않을 것이다. 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 자원들의 설치를 고려한 목적함수만으로는 열과 전기의 안정적인 공급을 보장할 수 없다. 기존 연구에서는 통합에너지시스템 내에서의 사고를 고려하지 않고 수요와 공급을 유지할 수 있는 에너지 자원들의 구성 계획을 주로 고려하였다. 에너지에 대한 관성이 작은 소규모 에너지시스템인 통합에너지시스템에서는 사고에 대한 파급효과가 크기 때문에 공급지장을 고려할 수 있는 전원계획을 필요로 할 것이다. 본 논문에서는 열과 전기를 통합하여 사용하는 통합에너지시스템의 전원계획을 혼합정수선형계획법 기반의 최적화 문제로 구성하는데 목적이 있다. 이를 위해 본 논문에서는

• 열병합발전뿐만 아니라 열과 전기를 생산하는 에너지 자원, 에너지 저장 자원, 전기를 생산하는 재생에너지를 고려한 통합에너지시스템의 전원계획을 수립하고자 하였다. • 혼합정수선형계획법 기반의 최적화 문제 구성 시 계단형 부하지속곡선 대신 구간 선형화된 부하-에너지 곡선을 사용하여 에너지시스템의 특성을 반영한 전원계획을 수립하고자 하였다. • 통합에너지시스템의 전원계획에 공급지장비용을 고려하여 공급지장에너지를 최소화할 수 있도록 만드는 전원계획을 수립하고자 하였다.

본 논문에서 제안한 통합에너지시스템에서의 전원계획 수립 방안이 타당함을 보이기 위하여 열과 전기 부하 데이터를 활용한 사례연구를 진행하였다. 결과적으로 열병합발전뿐만 아니라 다양한 에너지 자원들을 활용하여 비용을 최소로 하는 전원계획을 수립할 수 있음을 확인할 수 있었고, 계단형 부하지속곡선을 활용한 최적화 문제의 결과와 구간 선형화된 부하-에너지 곡선을 활용한 최적화 문제의 결과를 비교하였을 때, 제안한 구간 선형화된 부하-에너지 곡선을 활용한 방안이 통합에너지시스템의 특성을 반영하여 전원계획을 수립할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 단일 에너지 자원의 고장을 고려하고 공급지장비용을 고려한 최적화 문제의 결과를 통해 공급지장에너지를 최소화하기 위해 추가적으로 에너지 자원을 더 설치하는 결과를 얻을 수 있었다.