수요관리를 위한 소비자측 ESS의 최적화 및 TOU 요금제의 개선에 관한 연구

Abstract

국내외 전력판매 사업자들이 적용하고 있는 계시별요금제 (Time of Use, TOU)는 사용량에 따라 계절별·시간대별 각각 두·세단계의 단가를 적용하는 요금제이다. 이는 사용량이 많 은 시간대에는 비싼 요금을, 사용량이 적은 시간대에는 저렴 한 전력요금을 소비자에게 부과함으로서, 최종 소비자의 부하 패턴이 판매사업자가 의도한 방향으로 변화하도록 유도하기 위함이다. 판매사업자의 이러한 부하패턴 유도활동을 수요관리 (Demand Management, DM)라고 한다.

소비자의 최종 목적은 필요한 전력을 충분히 사용하면서 전 력요금을 최소화 하는 것이다. 판매사업자가 TOU 요금제를 시행하면 소비자는 부하시간대이동(Load Shift), 최대수요감소 (Peak Shaving) 등의 수요반응(Demand Response, DR)을 보 인다. 이에 대해 전력요금이 저렴한 시간대에 전기에너지를 저장했다가 필요한 시기에 방전하여 전기에너지를 공급해주 는 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)의 활용은 소비자에게 좋은 대응전략이 될 수 있다.

소비자가 ESS를 활용하면 소비자는 전력요금을 절감할 수 있으며 판매사업자는 지속적인 수요관리의 효과를 거둘 수 있다. 하지만 ESS의 높은 투자비는 소비자가 보편적으로 ESS를 활용할 수 없게 하는 걸림돌이 되고 있다. 따라서 TOU 요금제를 적용받는 소비자의 ESS 활용이, 판매사업자가 의도한 수요관리의 효과성과 소비자의 경제성을 확보하려면 ESS 용량산정과 운영방법에 대한 상세한 연구가 필요하다.

이 논문에서는 소비자의 ESS 투자비와 전력요금에 영향을 미치는 요인들을 분석하여, MINLP(Mixed Integer Nonlinear Programming) 모델로 목적함수를 수립하여 최적화하였다. 이 함수는 개별 소비자의 부하패턴에 맞는 ESS의 최적용량을 산출할 뿐만 아니라 각 시간별 충방전 스케줄을 산출할 수 있다. 이 산식들을 GAMS 프로그램으로 구현한 뒤 소비자의 실재 수요데이터를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

그러나 시뮬레이션 결과, 한국에서 현재 적용중인 TOU 요금단가는 소비자가 ESS를 활용할 충분한 편익을 주지 못했다. 따라서 이 한계점을 극복하기 위해 TOU 요금단가를 개 선하는 방법을 제안하였고, 개선한 TOU 단가를 적용하여 다 양한 부하패턴 소비자의 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 개선된 TOU 요금제도는 소비자에게 ESS를 활용할 충분한 유인을 제공하며, 판매사업자에게 지속적인 수요관리의 효과 를 줄 수 있음을 증명하였다.

Time of use(TOU) pricing, which is applied by domestic and overseas electric power sales companies(utilities), is a tariff that applies two or three step rates for each season and hour according to usage. This is to induce the end-use consumers to change the load pattern in the direction intended by imposing an expensive charge at a high usage time and an inexpensive electric charge at a low usage time. These load pattern inducing activities of utilities are called Demand Management(DM).

The ultimate goal of the consumer is to minimize the electricity bill while fully utilizing the required power. When the TOU pricing is implemented by power companies, the consumer reacts by Demand Response(DR) like load shift and peak shaving. The use of an Energy Storage System(ESS), which stores electric energy at a time when the electricity rate is low and discharges it at a necessary time, can be a good strategy.

When the consumer uses the ESS, a consumer can reduce electricity bills and electric utilities can gain a sustainable demand management effect. However, the high investment cost of ESS is a stumbling block for consumers to universally utilize ESS. Therefore, the detailed study is required for the ESS utilization of demand-side under TOU pricing to secure the economical benefit of consumer and demand management effect of utility.

In this paper, the factors influencing the ESS investment cost and the electricity price of the consumer are analyzed, and the objective function and constraints with MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming) model are optimized. These functions calculate not only the optimum capacity of the ESS to fit on the load patterns of individual consumers, but also each hourly charging or discharging schedule for each day, each season. After these equations are implemented in GAMS program, simulations were performed by applying actual demand data of consumers.

However, as a result of simulations, the current unit price of TOU pricing applied in Korea cannot provide enough benefits for consumers to utilize an ESS. Therefore, to overcome this limitation, this paper proposes a method to improve the unit price of TOU, and simulates for various load pattern consumers by applying the improved TOU unit price. As a result, the improved TOU pricing has proven that the ESS utilization of demand-side is beneficial to the consumer and provides sustainable demand management effect to power companies.