2.1 재생에너지 수용 단계

국제에너지기구(IEA)에서 IEA 회원국 사례를 기초로 가변성 재생에너지(VRE, Variable Renewable Energy)의 수용률에 따른 단계를 발표하였다. 각 단계는 재생에너지의 점유율이 증가할수록 전력계통운영 시 발생할 수 있는 문제들을 고려하여 구분되어있다. VRE가 전력계통에 미치는 영향이 가장 작은 1단계부터 VRE의 출력으로 수요의 대부분을 공급할 수 있는 4단계가 있다. 여기서 더 나아가 재생에너지의 발전량이 수요를 빈번하게 초과하게 되는 5단계가 있고, 계절적인 패턴 차이로 인해 발생하는 불균형을 고려해야 하는 6단계까지 있다. 각 단계에 대한 설명을 Table 1에 나타내었다.

해외의 VRE 수용 단계 현황은 2015년을 기준으로 5단계 이상 수준에 해당하는 국가는 없으며 아일랜드와 덴마크가 제일 높은 단계인 4단계이다. 그 외 국가들의 현황을 Fig. 1에 나타내었다⁽⁷⁾.

국내에서도 VRE 설비용량의 증가로 인해 전력계통운영 시에 문제가 발생하고 있다. 제주도의 2017년 VRE 발전량 점유율은 12.7%로 해외 주요국가들과 비교했을 때 VRE 수용 단계는 2단계에 해당한다. 2단계는 VRE의 변동성이 계통운영에 영향을 주기 시작하는 단계로 제주지역의 경우 풍력발전의 출력제한이 2017년 한 해 동안 8회 이상 발생해 계통운영에 어려움을 겪고 있다^(4-5). 또한, 2017년 국내 전체 VRE 발전량 점유율은 3.46%로 VRE 수용 단계는 1단계에 해당한다. 그러나 ‘신재생에너지 2030 이행계획’에 따라 VRE 설비의 설치용량이 증가하게 된다면 VRE 발전량 점유율도 크게 증가할 것이다. 2030년 신재생에너지의 발전량 예상 점유율은 20%로 신규설비의 95%를 풍력과 태양광 설비로 보급할 예정이므로 VRE 발전량 예상 점유율과 비슷할 것으로 예상한다. 2030년 국내 계통의 VRE 수용 단계는 3단계로 예상되며 수급 균형의 변동폭이 커짐에 따라 비용 효과적으로 전력수급 균형을 유지하기 위해 발전과 부하를 조절할 수 있는 능력인 유연성 확보가 필요하게 된다.

2.2 재생에너지의 변동성과 유연성 자원의 필요성

2.2.1 가변성 재생에너지의 특성

신재생에너지 중 태양광과 풍력발전은 각각 일사량과 풍속 조건에 의존하여 발전하는 특성으로 VRE로 분류된다. VRE의 특징은 발전 과정에서 환경 오염물질을 배출하지 않고 지속적으로 발전이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있지만 전력계통 운영 면에서는 다음과 같은 단점을 지닌다. 첫째, VRE의 출력은 불확실해 예측이 쉽지 않다. 특히 풍력발전의 경우 풍속에 따라 발전하기 때문에 기상상태에 큰 영향을 받는다. 따라서 정밀하게 기상여건을 예측한다 해도 어느 정도 오차를 갖고 있으므로 풍력발전은 항상 불확실성을 갖는다. 둘째, VRE의 출력을 완벽하게 예측할 수 있다 하더라도, 태양광 및 풍력발전의 변동성이 매우 크다. 따라서 VRE의 수용률이 증가할수록 VRE의 불확실성과 변동성은 전력계통에 큰 영향을 미치게 된다⁽⁸⁾.

2.2.2 유연성 자원

전력계통의 유연성은 크게 물리적인 유연성과 구조적인 유연성으로 분류할 수 있다. 물리적인 유연성은 수요 및 발전량의 변화에 대응할 수 있는 물리적인 역량을 의미한다. 전력수요의 급격한 변화에 대해 전력을 공급할 수 있는 능력과 발전량의 급격한 변화에 따른 전력수요 조절 능력, 공급과 수요간의 균형을 유지할 수 있는 에너지 저장능력 등이 물리적 역량에 포함된다. 물리적 유연성 자원에는 대표적으로 에너지저장장치가 있다. 구조적인 유연성은 계통운영방안 또는 전력시장운영에 따라 물리적인 유연성을 이용할 수 있는 능력이다. 구조적인 유연성 자원에는 전력 시장의 구조와 계통 보조서비스 등이 있다. 구조적인 유연성이 뒷받침되어야 물리적 유연성을 통한 계통운영이 가능하기 때문에 구조적 유연성과 물리적 유연성간의 연계가 중요하다. 따라서 두가지의 유연성을 복합적으로 연계한 자원들도 있으며 수요자원이 대표적이다. 각 유연성 자원의 분류를 Table 2에 나타내었다⁽⁹⁾.

2.2.3 유연성 자원의 필요성

전력계통 유연성이 높을수록 변동성과 불확실성을 더 쉽게 수용할 수 있으며 계통 유연성이 낮다면 계통에서 수용할 수 있는 변동성과 불확실성이 제한되어 VRE의 출력제한이 발생하게 된다. 따라서 수요자원과 ESS 등 유연성 자원을 통해 계통의 유연성을 보완하면 공급 신뢰도뿐만 아니라 VRE의 수용률도 증대시킬 수 있다.

2.3 유연성 자원필요량 분석방법

2.3.1 순부하 산정

순부하는 계통 부하에서 비중앙급전발전기의 발전량을 제외한 값으로 본 연구에서는 VRE의 변동성에 따른 유연성 필요량을 분석하기 위해 비중앙급전 발전량에는 풍력과 태양광발전만을 포함하였다. 순부하 산정을 위한 식은 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

식(1)에서 PL은 분석 기간 계통의 최대부하이고 LFt는 시간 t에 대한 부하율이다. PVC와 WINDC는 분석 기간 계통의 태양광과 풍력의 총 설비용량이고, PVft와 WINDft는 시간 t에 대한 태양광과 풍력의 이용률을 나타낸다⁽¹⁰⁾.

2.3.2 이산 푸리에 변환을 통한 유연성 필요량 산정

유연성 자원들은 각기 다른 특성을 갖고 있으며 그 특성에 따라 응답시간 또한 천차만별이다. 따라서 전체 재생에너지의 변동에 따른 유연성 자원의 필요량을 응답시간에 따라 분리하여 구한다면 각 유연성 자원에 따른 적정 필요량을 산정할 수 있다. 응답시간에 따른 분리는 이산 푸리에 변환을 통해 주파수 대역별로 분리가 가능하다⁽³⁾.

푸리에 변환은 주기, 비주기 신호를 포함한 모든 신호를 사인함수와 코사인함수의 합성으로 나타내어 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 변환시켜준다. 이산 푸리에 변환식은 다음과 같다.

이산 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 변환된 신호에서 분석하고자 하는 주파수 범위를 선택한 뒤 대역 필터를 통해 특정 주파수 대역 신호를 분리한다. 대역 필터의 조절을 통해 다양한 주기의 Net-Load 데이터를 분리해낼 수 있다.

대역 필터의 차단주파수는 다양한 유연성 자원들의 응답시간을 기준으로 설정할 수 있다. 자원의 특성에 따라 용량이 작지만 응답시간이 빨라 크기가 작고 빠른 변동에 적합한 자원이 있고 용량이 크지만 응답시간이 느려 크기가 크고 오랜 시간에 걸친 변동에 적합한 자원이 있다. 따라서 이러한 자원의 응답시간에 따라 차단주파수를 달리 설정할 수 있다. 계통운영 보조서비스에 사용되는 여러 자원들의 응답시간에 따른 분류를 Table 3에 나타내었다⁽¹¹⁾.

분리된 주파수 신호를 역푸리에 변환을 통해 시간 영역 신호로 변환한다. 역푸리에 변환식은 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

최종적으로 분리해낸 시간 영역 신호를 이용해 유연성 자원의 응답시간에 맞는 필요량을 분석한다. 위에서 설명한 전체적인 유연성 자원필요량 분석 단계는 Table 4와 같이 나타낼 수 있다.

3.1 적용 계통

본 사례 연구에서는 2018년 A 지역의 부하와 풍력 및 태양광 발전량 데이터가 사용되었다. A 지역의 전력계통 운영 현황에 대한 보고서와 제8차 전력수급계획을 참고하여 적용계통의 VRE 점유율이 50% 이상으로 VRE 수용 단계가 4단계를 넘어가는 시점인 2025년을 기준으로 하였다^(12-13). 2018년 데이터를 통해 부하율과 풍력 및 태양광 이용률을 산출하고 A 지역의 최대수요 및 VRE 설비용량을 가정해 2025년 A 지역의 순부하를 산정하였다.

대역 필터의 차단주파수는 Table 3의 분류를 참고하여 응답시간에 따라 설정하였다. 5분에서 1시간의 주기를 갖는 단주기 신호를 분리하기 위해 상한 차단주파수를 분을 기 준으로 5분의 역수인 0.2min-1와 60분의 역수인 0.01667min-1로 설정하였다. 1시간에서 1일의 주기를 갖는 장주기 신호도 마찬가지로 차단주파수를 설정하여 분리하였다. 전체 대역 필터의 차단주파수는 Table 6과 같이 설정하였다.

3.2 유연성 자원 필요량 분석

3.2.1 순부하 분석

2025년 전체의 부하와 순부하 및 VRE 발전량의 시간에 대한 평균값을 Fig. 2에 나타내었다. 순부하는 8시부터 13시까지 5시간 동안 72.2MW/h로 하향 변동했으며, 13시부터 18시까지 5시간 동안 90.8MW/h로 상향 변동이 발생했다. VRE의 발전량이 수요를 초과하는 과발전이 발생했는데 총과발전량은 444GWh로 VRE의 2025년 총 발전량의 10.2%이다.

3.2.2 유연성 자원의 출력 필요량

유연성 자원의 출력 필요량은 2025년 전체의 순부하를 통해 산정했으며 하루마다 출력 필요량의 최대값을 계산해 총 365일간의 단주기 출력 필요량빈도를 Fig. 3에 나타내었다.

Positive는 계통으로 공급해야 하는 전력의 크기이고 Negative는 계통으로부터 소비해야 하는 전력의 크기이다. 출력 필요량의 적용 범위 및 분포를 확인하기 위해 백분위수를 통해 출력 유연성 필요량을 비교하였다. 공급해야 하는 출력의 75번째 백분위수는 191MW이고 90번쨰 백분위수는 300MW, 95번째 백분위수는 405MW, 99번쨰 백분위수는 568MW이다. 그리고 소비해야 하는 출력의 75번째 백분위수는 176MW이고 90번째 백분위수는 341MW, 95th 백분위수는 454MW, 99th 백분위수는 606MW이다.

2025년 장주기 순부하의 출력 최댓값 분포를 Fig. 4에 나타냈다. 백분위수를 통해 출력 유연성 필요량을 비교하면 공급해야 하는 출력의 75번째 백분위수는 423MW이고 90번째 백분위수는 498MW, 95번째 백분위수는 570MW, 99번째 백분위수는 715MW이다. 그리고 소비해야 하는 출력의 75번째 백분위수는 529MW이고 90번째 백분위수는 599MW, 95번째 백분위수는 627MW, 99번째 백분위수는 740MW이다.

3.2.3 유연성 자원의 에너지 필요량

유연성 자원의 에너지 필요량은 2025년 전체의 순부하를 통해 산정했으며 하루마다 에너지 필요량을 계산해 총 365일간의 필요량 빈도를 Fig. 5에 나타내었다. Positive는 계통으로 공급해야 하는 전력량의 크기이고 Negative는 계통으로부터 소비해야 하는 전력량의 크기이다. 에너지 필요량의 적용 범위 및 분포를 확인하기 위해 백분위수를 통해 비교하였다. 공급해야 하는 전력량의 75번째 백분위수는 364MWh이고 90번째 백분위수는 434MWh, 95번째 백분위수는 486MWh, 99번째 백분위수는 576MWh이다. 그리고 소비해야 하는 전력량의 75번째 백분위수는 367MWh이고 90번째 백분위수는 459MWh, 95번째 백분위수는 500MWh, 99번째 백분위수는 605MWh이다.

2025년 장주기 순부하의 에너지 분포를 Fig. 6에 나타냈다. Positive는 계통으로 공급해야 하는 전력량의 크기이고 Negative는 계통으로부터 소비해야 하는 전력량의 크기이다. 백분위수를 통해 에너지 유연성 필요량을 비교하면 공급해야 하는 전력량의 75번째 백분위수는 2.78GWh이고 90번째 백분위수는 3.49GWh, 95번째 백분위수는 3.80GWh, 99번째 백분위수는 4.33GWh이다. 그리고 소비해야 하는 전력량의 75번째 백분위수는 2.78GWh이고 90번째 백분위수는 3.20GWh, 95번째 백분위수는 3.38GWh, 99번째 백분위수는 3.81GWh이다.