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  1. (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Konkuk University, Korea.)



FERC(Federal Energy Regulatory Commission) order 755, Frequency Regulation Market, ESS(Energy Storage System), Pricing Mechanism, Mileage

1. 서 론

북미 주요 ISO/RTO의 주파주조정예비력시장(Frequency Regul- ation Market)은 FERC (Federal Energy Regulatory Commission) Order 755가 수립된 이후 많은 변화가 이루어졌다. FERC Order 755가 개정되기 전, 시스템 운영자는 오직 주파수조정예비력을 제공하는 자원에게 예비력 공급용량(Regulation capacity)에 관한 보상만을 제공했다. 이에 발전기 출력 설정값(Set-point)을 변동시켜 보다 많이 예비력 제공에 공헌을 한 자원은 출력 변동에 따른 보상을 받지 못하였다. FERC Order 755는 이러한 예비력 공급성과(mileage 또는 performance)에 대한 보상을 위해 주파수조정예비력 시장에 공급자원의 응답 정확성(accuracy), 일치성(precision) 및 속응성(delay) 등을 시장가격 결정과 보상 시 적정하게 반영하도록 개정하였다(1).

북미 주요 ISO/RTO들은 FERC Order 755에 따라 각각 주파수조정예비력 시장제도 개선을 위한 정책 연구를 진행하였으며(2)-(5), FERC Order 755 법령에 맞게 주파수조정예비력시장에서의 전기자동차 최적화 운영 설계(6) 및 전기자동차의 시장 참여에 따른 공급성과 기반 정산 관련 연구(7), 전기저장장치의 잠재적인 수익 추정(8) 및 적정 크기 분석(9), 상업용 빌딩이 FERC Order 755를 따르는 시장(PJM)에 참여할 경우에 대한 운영 계획 분석(10), (11) 등의 연구가 이루어졌다. 이외에도 PJM의 주파수조정예비력 시장에서 속응자원(Fast Responding Resource)에 대한 보상 관련 연구(12), MISO 시장에 FERC Order 755 개념을 적용시키는 방안에 관한 연구(13), CAISO 주파수조정예비력시장의 예비력 공급용량 및 공급성과에 관한 입찰 전략(14) 및 FERC Order 755를 준수하며 에너지 및 예비력 동시최적화시장에서 시장참여자의 보상 관련 수식화 연구(15) 등 다양한 측면에서 법 개정 이후의 북미 ISO/RTO 주파수조정예비력시장에 대한 연구가 이루어지고 있다.

본 논문은 북미 ISO/RTO 중 PJM과 CAISO 주파수조정예비력 시장의 가격결정메커니즘을 간략하게 알아본다. 또한 PJM과 CAISO 주파수조정예비력 시장제도의 국내 도입 시 국내 석탄 및 복합화력 자원의 주파수조정예비력 제공에 대한 보상을 사례연구한다. 해당 사례연구를 통해 PJM과 CAISO의 주파수조정예비력시장의 규칙에 따라 예비력 시장에서의 각 자원의 자원별 급전 우선순위, 시장가격 및 각 자원의 보상금액 등을 산출하며 비교분석한다.

2. PJM 및 CAISO 주파수조정예비력 시장 가격결정 메커니즘

본 장에서는 북미 ISO/RTO 중 PJM과 CAISO 주파수조정예비력시장의 전반적인 가격결정메커니즘 및 예비력 제공자원에 관한 보상이 어떻게 이루어지는지 알아본다. PJM과 CAISO 주파수조정예비력 시장규칙을 참고하여(14)-(19), 두 시장에서 주파수조정예비력 공급자원의 속응성 등이 입찰, 가격결정, 정산과정에서 반영되는 절차를 비교하였다. 이때 공급자원의 속응성을 반영하기 위한 정량적 지표로 PJM은 성과(performance), CAISO는 마일리지(mileage)로 각각 정의한다.

2.1 PJM 주파주조정예비력 시장 가격결정 메커니즘

PJM 주파수조정예비력 시장의 가격결정메커니즘은 크게 3가지 단계로 구분할 수 있다. 첫 번째는 예비력 공급용량 및 공급성과에 대한 입찰 단계이다. 해당 단계에서 예비력 공급자원은 PJM의 시장규칙에 따라 공급용량(regulation capacity) 및 공급성과(regulation performance 또는 mileage)에 대한 입찰(비용기반 또는 가격기반 입찰)을 수행한다. 시장가격을 결정하는 두 번째 단계에서는 각 자원의 입찰 정보, 각 자원이 예비력 시장에 참여함으로서 발생하는 기회비용(lost opportunity cost) 및 과거 해당 자원의 공급성과 및 마일리지(출력 설정값 변동량)를 고려하여 새로운 자원별 예비력 할당 우선순위 단가(Rank price)를 만들며, 해당 자원별 예비력 입찰가격을 기반으로 예비력 요구량을 만족시키는 시장가격을 도출한다. 마지막으로 도출된 주파수조정예비력 시장가격을 기반으로 예비력 제공자원에 대한 정산이 이루어진다(14)-(16), (19). 아래의 그림은 PJM의 시장 가격결정메커니즘 및 정산 프로세스를 간략하게 나타낸 그림이다.

그림. 1. PJM 주파수조정예비력 시장의 가격결정 및 정산 프로세스

Fig. 1. The pricing mechanism and settlement process of PJM frequency regulation market

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.4.549/fig1.png

2.2 CAISO 주파수조정예비력 시장 가격결정 메커니즘

CAISO의 주파수조정예비력 시장은 예비력 급전신호를 상향 및 하향(regulation up 및 down)으로 구별하며, 하루전 시장에서 대부분의 예비력 요구량을 확보하는 구조를 가지고 있다. 이러한 CAISO 주파수조정예비력 시장의 가격결정메커니즘은 크게 3단계로 구분할 수 있다. 첫 번째 단계는 공급자의 상향 및 하향 예비력에 관한 입찰용량[MW], 공급용량가격[${$}$/MW] 그리고 공급성과[${$}$/mile] 입찰이다. 해당 단계에서 운영자는 운영일에 대한 예비력 공급용량 및 공급성과 요구량(requirement)[mile]을 예측 및 결정한다. 시장가격을 결정하는 두 번째 단계에서는 공급용량 및 공급성과에 대한 시장가격을 각각 도출한다. 우선적으로, 공급성과 시장가격을 도출하기 위해 각 자원의 과거 급전 신호에 대한 응답 속응성 및 정확성을 고려한 자원별 최대 할당 가능 마일리지[mile]를 산출한다. 이후 각 자원의 최대 할당 가능 마일리지를 상대적으로 빠른 자원 우선순위(fast first)로 주파수조정예비력 공급성과 요구량을 만족시키는 한계 발전기를 도출하며, 도출 과정에서 마일리지가 할당된 예비력 공급자원이 입찰한 공급성과 입찰가 중 가장 비싼 입찰가격을 공급성과 시장가격으로 결정한다. 또 다른 시장가격인 공급용량 시장가격은 자원의 증·감발률(ramp rate) 기반 공급용량 요구량을 만족시키는 한계 발전기의 공급용량 입찰가로 결정된다. CAISO 주파수조정예비력 가격결정메커니즘의 마지막 단계는 두 번째 단계에서 결정된 각각의 시장가격을 기반으로 수행되는 정산과정이다(17)-(19). 이와 같은 CAISO의 가격결정 및 정산과정은 그림 2와 같다.

그림. 2. CAISO 주파수조정예비력 시장의 가격결정 및 정산 프로세스

Fig. 2. The pricing mechanism and settlement process of CAISO frequency regulation market

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.4.549/fig2.png

3. 예비력 가격결정메커니즘 국내 적용 사례연구

본 장은 PJM 및 CAISO의 주파수조정예비력 가격결정메커니즘을 우리나라 전력시장에 도입할 경우 국내 석탄 및 복합화력 자원이 주파수조정예비력을 제공할 시 발생할 수

표 1. 국내 발전자원의 주파수조정예비력 입찰단가

Table 1. Frequency regulation offer of traditional resources

 항목

비용

석탄 A

석탄 B

석탄 C

복합A

복합B

복합C

복합D

복합E

복합F

(A) : 출력감소연료비 증가분

[${$}$/Hr/MW of regulation]

2.00

2.84

3.95

13.94

12.21

3.05

2.68

4.39

3.35

(B) : marginal adder [${$}$/MWh]

12

12

12

12

12

12

12

12

12

(C) : 최대 공급용량 입찰가

[${$}$/Hr/MW of regulation]

14.00

14.84

15.95

25.94

24.21

15.05

14.68

16.39

15.35

(D) : 효율감소비용

[${$}$/Hr/MW of regulation]

0.0388

0.0586

0.0649

0.3638

0.3666

0.3268

0.2857

0.1572

0.3014

(E) : 운전 유지비 증가분

[${$}$/Hr/MW of regulation]

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

(F) : 과거 마일리지 [mile/MW]

194.97

231.44

219.38

191.44

47.90

26.36

42.76

127.50

50.14

(G) : 최대 공급성과 입찰가 [${$}$/mile]

0.0130

0.0111

0.0117

0.0150

0.0598

0.1072

0.0651

0.0287

0.0758

있는 보상에 대하여 알아본다. 사례연구는 총 4개의 전력저장장치와 3개의 국내 석탄자원 및 6개의 국내 복합발전자원을 고려하여 수행되며, 13개 자원을 토대로 PJM 및 CAISO 시장규칙에 따라 주파수조정예비력시장에서의 자원별 급전 우선순위, 시장 청산가격 및 보상금액 등을 산출한다.

3.1 PJM 주파주조정예비력 시장 가격결정메커니즘 사례연구

PJM 주파주조정예비력 시장 가격결정메커니즘 사례연구는 각 자원의 주파수조정예비력 공급용량 및 공급성과 입찰가격, 기회비용, 성과지수, 유효용량지수, 급전 우선순위, 시장가격 결정 및 보상금액 산정으로 구성된다.

3.1.1 자원별 주파주소정예비력 입찰금액 산정

국내 석탄 및 복합발전자원의 주파수조정예비력 입찰가는PJM의 시장규칙에 따라 실제 해당 자원의 발전기 특성을 이용하여 산정한다(14)-(16). PJM의 경우, 주파주조정예비력 시장에 참여하는 자원은 자원의 특성(속응 능력) 및 발전사업자의 선택에 따라 ReA 및 RegD로 구분되며, 본 논문에서 고려되는 화력 및 복합자원은 RegA 그리고 에너지저장장치는 RegD 자원으로 구분한다. 표 1에서 (A)는 출력감소로 인한 자원의 연료비 증가분을 나타내며, 다음의 수식으로 나타낸다.

(1)
$$ A_{i}=\frac{H R_{i}^{\mathrm{rm}} \times \mathrm{RM}_{\mathrm{i}}-\mathrm{HR}_{\mathrm{i}}^{\mathrm{em}} \times E M_{i}}{R B_{i}} $$

여기에서, $HR^{rm}$은 자원 $i$가 주파수조정예비력을 제공할 수 있는 최소출력 수준에서의 열 소비율을 나타내며, $HR_{i}^{em}$는 자원의 최대출력 수준에서의 열소비율을 뜻한다. 또한 $HR_{i}^{em}$와 $EM_{i}$는 각각 예비력을 제공할 수 있는 최소출력 및 최대출력을 뜻하며, $RB_{i}$는 자원 $i$의 주파수조정예비력에 대한 제공 가능 범위를 나타낸다. $RB_{i}$는 $RM_{i}$와 $EM_{i}$의 차이라고 본 논문에서 가정하였다. 이에 자원이 입찰할 수 있는 최대 용량가격은 (A)와 고정비 회수의 목적으로 주어지는 (B)의 합인 (C)가 된다.

자원이 입찰할 수 있는 최대 공급성과 입찰은 효율감소비용을 타나내는 (D)와 운전유지비 증가분을 나타내는 (E)의 합을 자원별 과거 마일리지(F)로 나눈 (G)이다.

(2)
$C_{i}=\dfrac{HR_{i}^{em}\times 0.35-열량단가_{i}\times EM_{i}}{RB_{i}}$

(3)
$$E_{i}=\sum_{j=1}^{30}| S(j)-S(j-1)| /RR_{i}$$

여기에서 j는 10초 간격의 시간 간격을 나타내며, $S$는 급전신호 그리고 $RR$은 자원 $i$의 10초 기준 증·감발률을 나타낸다. 따라서 표 1은 각 자원에 대한 주파수조정예비력 공급용량 최대 입찰가능 단가와 공급성과 최대 입찰가능 단가를 나타내며, 사례연구에서는 자원은 최대 입찰 가격으로 주파수조정용예비력 입찰단가를 제시했다고 가정한다.

RegA 자원에 대한 주파수조정예비력 입찰가격 산정 이외에도 본 사례연구에 고려되는 RegD 자원에 대한 주파수조정예비력 입찰가격 또한 산정해야 하지만 실제 데이터가 없으므로 임의로 RegA 자원의 공급성과 입찰가격의 평균값인 0.043${$}$/mile로 가정한다.

3.1.2 RegA 자원 기회비용 산정

RegA 자원의 기회비용은 4가지 가정하에 PJM의 시장규칙에 따라 산정한다(RegD 자원의 경우, PJM 시장규칙에 따라 기회비용을 제공하지

표 2. 발전기별 기기 특성 및 기회비용

Table 2. The characteristic and lost opportunity cost of domestic resources

 발전자원

복합발전

화력발전

A

B

C

D

E

F

A

B

C

2차계수

0.0021

0.0022

0.0096

0.0071

0.0006

0.0002

0.0017

0.0009

0.0083

1차계수

27.2844

34.0571

27.7137

66.8278

69.6502

80.7467

85.6262

84.2204

82.8046

시장가격 [${$}$/MWh]

91

91

91

91

91

91

91

91

91

EcoMax[MW]

727

531

475

452

452

924

557

541

547

RegMin[MW]

420

280

260

312

312

606

427

307

292

Set-point[MW]

573.5

405.5

367.5

382

382

765

492

424

420

LOC[${$}$/MW]

60.9975

54.8873

55.1969

18.2832

20.8302

9.9902

3.5765

5.8840

0.2153

않음)(14)-(16).

· 가정 1: 예측 시장 가격은 91${$}$/MWh이라 가정

· 가정 2: 모든 발전기는 각 자원의 최대출력 EcoMax로 운영되고 있다고 가정

· 가정 3: 예비력 제공으로 위해 변동되는 출력 설정값은 최대 출력[MW]과 주파수조정예비력을 제공할 수 있는 최소 발전수준 RegMin[MW] 사이의 값이라 가정

· 가정 4: 계산의 편의성을 위해 기회비용 LOC 산정에 자원의 출력 증·감발률은 고려하지 않는다고 가정

이와 같은 가정하에서 PJM 시장규칙을 따라 실제 각 자원의 1차 및 2차 계수, EcoMax[MW], RegMin[MW], 임의의 출력 설정값[MW] 및 시장가격[${$}$/MWh]을 고려한 자원별 기회비용은 표 2에서 나타낸다.

산출된 기회비용은 복합자원이 석탄자원 대비 약 6배 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 석탄자원의 증분비가 복합보다 싼 요인과 비교적 높은 가격으로 가정된 시장가격의 영향이라고 볼 수 있다. 이와 같은 자원별 주파수조정예비력 제공에 따른 기회비용은 주파수조정예비력 시장가격 산정에 반영된다.

3.1.3 자원별 성과지수 및 마일리지 산출

각 자원의 성과지수(performance score) 및 마일리지는 실제 해당 자원의 성능, 2초 단위의 급전신호 및 그에 따른 실제 응답량 데이터(2초 단위 20분 데이터)를 이용하였으며, 국내 발전자원의 성과지수 산정은 PJM의 시장규칙 및 가격결정메커니즘을 준수하여 산출하였다. 해당 산출 과정은 PJM 매뉴얼 및 (19)에서 자세하게 언급되어 있으며, 그림 3은 각 자원에 대한 실제 급전 신호 및 응답량을 나타낸다. 자원별 급전신호 및 응답량을 기준으로 표 3에서 각 자원의 성과지수 및 마일리지를 나타낸다.

성과지수 산정을 통해, 국내 화력자원은 복합발전자원 대비 급전 신호에 대한 반응이 느리고 급전 신호와 응답량 사이의

표 3. 자원별 성과지수 및 마일리지

Table 3. Resource-specific performance score and mileage

 

정확성 지수

속응성 지수

일치성 지수

성과지수

마일리지 [mile/MW]

화력 A

0.7033

0.4667

0.9926

0.7209

16.2474

화력 B

0.8960

0.7333

0.9907

0.8733

19.2864

화력 C

0.7375

0.3333

0.9904

0.6871

18.2815

복합 A

0.9856

0.8000

0.9769

0.9209

15.9529

복합 B

0.9974

0.9667

0.9953

0.9865

3.9919

복합 C

0.4749

0.9333

0.9989

0.8024

2.1966

복합 D

1.0000

1.0000

0.9994

0.9998

3.5636

복합 E

0.5638

0.8455

0.9682

0.7925

10.6253

복합 F

0.6650

0.5167

0.9914

0.7243

4.17863

상관관계가 다소 낮지만, 복합자원 대비 더 정확하게 급전 신호에 반응했음을 알 수 있다. 하지만 이러한 결과는 다소 짧은 데이터를 가지고 도출한 결과이기에 완전하게 신뢰하기에는 무리가 있으며, 더 많은 데이터를 이용하여 산정했다면 다른 결과를 얻었을 수 있다고 판단된다. 또한, PJM의 규칙에 따라 산정한 마일리지(mileage)는 5분 평균 마일리지로서 전체적으로 화력발전자원이 복합자원 대비 약 3배 정도이다. 이는 비교적 비싼 복합자원보다 석탄자원이 주파수조정예비력에 많이 사용된다는 것을 알 수 있지만, 데이터의 부족 및 주파수조정예비력 시장이 없는 국내 전력시장의 환경으로 인해 발생한 상황일 수 있다고 판단된다. 이 외에 본 사례연구에서 고려되는 4개의 전력저장장치는 기존의 발전자원보다는 높은 속응성 및 정확성을 제공할 수 있기에 모두 성과지수가 1~0.99사이의 값을 가진다고 가정한다. 표 4는 앞서 도출한 예비력 입찰가, 기회비용, 공급성과 및 마일리지와 5가지의 가정을 통해 본 사례연구에 고려되는 각 자원의 입찰 정보 및 기타 파라미터 나타내는 표이다.

그림. 3. 자원별 급전신호 및 응답량

Fig. 3. Resource-specific signal and response

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.4.549/fig3.png

표 4. 자원별 입찰 정보 및 기타 파라미터

Table 4. Resource-specific regulation bidding information and parameters

항목

예비력 입찰

용량 [MW]

예비력 공급용량 입찰가

[${$}$/MW]

예비력 공급성과입찰가

[${$}$/mile]

기회

비용

[${$}$/MW]

과거 공급

성과 지수

과거 마일

리지

ESS A

30

0

0.043

0.000

1.000

36.682

ESS B

30

0

0.043

0.000

0.998

36.682

ESS C

30

0

0.043

0.000

0.995

36.682

ESS D

30

0

0.043

0.000

0.990

36.682

화력 A

100

14.002

0.013

60.998

0.721

10.480

화력 B

60

14.842

0.011

54.887

0.873

10.480

화력 C

50

15.952

0.012

55.197

0.687

10.480

복합 A

93

25.937

0.015

18.283

0.921

10.480

복합 B

93

24.214

0.060

20.830

0.986

10.480

복합 C

106

15.049

0.107

9.990

0.802

10.480

복합 D

130

14.679

0.065

3.577

1.000

10.480

복합 E

209

16.393

0.029

5.884

0.792

10.480

복합 F

127

15.351

0.076

0.215

0.724

10.480

· 가정 1: ESS의 공급성과 대한 입찰가격[${$}$/mile]은 RegA 자원의 평균 공급성과 입찰가격이라 가정

· 가정2 : ESS의 과거 성과지수는 1~0.99 사이의 값으로 가정

· 가정3 : ESS의 과거 마일리지는 RegA 자원의 평균 마일리지 대비 3.5배라 가정

· 가정4 : RegA 자원의 예비력 공급용량은 자원별 10분 증․감발률 또는 주파수조정예비력 제공 가능 범위 중 최소값으로 가정

· 가정5 : RegA 자원의 과거 마일리지는 앞서 산출된 자원별 마일리지의 평균값이라 가정

3.1.4 RegD 자원의 유효용량지수(Benefit factor) 및 유효용량(Effective MW) 산정

본 단계는 자원별 입찰정보 및 기타 파라미터를 바탕으로 주파수조정예비력 시장에 RegD 자원의 과한 참여 제한 및 실제 시장에서 행사하는 영향력을 용량으로 환산하데 사용되는 유효용량지수(benefit factor) 및 유효용량(effective MW)을 도출한다. PJM의 주파수조정예비력 요구량이 800MW라는 점과 RegD 자원이 주파수조정예비력 시장에 참여할 수 있는 비율은 800MW 중 40%인 320MW라는 점을 고려한다.

표 5. RegD 자원의 유효용량 및 유효용량지수

Table 5. Benefit factor and Effective MW of RegD resources

구분

항목

ESS A

ESS B

ESS C

ESS D

A1

예비력 입찰가[${$}$]

47.37

47.47

47.61

47.85

A2

조정된 입찰용량[MW]

30.00

29.94

29.85

29.70

A3

자원 우선순위

1

2

3

4

A4

급전순위 기반 누적용량[MW]

30.00

59.94

89.79

119.49

A5

유효용량지수

2.63

2.36

2.09

1.82

A6

유효용량[MW]

78.84

70.56

62.28

53.97

RegD 자원의 유효용량 및 유효용량지수 산출을 위한 첫 번째 단계는 주파주조정용 입찰가를 재산출하는 것이다. 이러한 유효용량 및 유효용량지수 산출은 표 5에서 확인할 수 있다. 재산정된 주파수조정예비력 입찰가(A1)는 RegD 자원의 공급용량 및 공급성과에 대한 입찰가 그리고 기회비용을 과거 자원별 성과지수 및 과거 마일리지를 고려하여 산출한다. 이후 각 RegD 자원별 재산정된 입찰가격(A1)을 기준으로 유효용량지수를 할당받는 것에 관한 우선순위(A3)를 결정(더 낮은 가격 우선)한다. 해당 과정에서 재산정된 입찰가격이 서로 같은 자원이 존재한다면, 해당 자원들의 과거 성과지수를 기준으로 우선순위(더 높은 성과지수 우선)를 결정한다. 우선순위가 정해졌다면, 해당 우선순위를 기준으로 각 자원의 과거 성과지수가 고려된 용량(A2 = 입찰용량*과거 공급성과지수)을 누적하여 자원별 급전 순위 기반 누적용량(A4)을 산출하며, 다음의 수식을 이용하여 자원별 유효용량지수(A5)를 산정한다.

(4)
$BF_{i}=\dfrac{MW_{j}^{Performance\quad adjusted}\times(0.0001-2.9)}{Reg D^{limit\quad MW}\times Reg^{requirement}}$

여기에서 $MW_{j}^{Performance adjusted}$는 급전순위 기반 누적용량(A4)를 뜻하며, $Reg D^{limit MW}$는 40%, $Reg^{requirement}$는 800MW를 나타낸다. RegD 자원의 유효용량지수를 산정하였다면, 각 자원의 유효용량(A6)을 다음의 수식을 이용하여 도출함으로서 RegD 자원의 유효용량지수 및 유효용량 산출 과정을 마무리한다.

(5)
$MW^{Effective}=MW\times HPF\times BF$

여기에서 $MW$는 입찰용량, $HPF$는 과거 공급성과, $BF$는 유효용량지수를 뜻한다.

3.1.5 자원별 급전 우선순위 결정, 시장 청산가격 결정 및 보상금액 산출

앞서 도출한 자원별 주파수조정예비력 최대 입찰단가, 기회비용, 성과지수, 유효용량지수 및 유효용량을 기반으로 PJM의 시장규칙에 따라 각 자원에 대하여 조정된 공급용량 비용, 공급성과 비용 및 예비력 할당 우선순위 단가(Rank Price)를 산출한다 (19). 해당 우선순위 단가가 낮은 순으로 주파수조정예비력 예비력 급전 우선순위가 결정된다. 예비력 할당은 PJM의 예비력 요구량인 800MW를 만족시키는 자원까지만 이루어진다. 표 6은 자원별로 (A) 재산정된 주파수조정예비력 공급용량 비용[${$}$](A), (B) 기회비용[${$}$] 및 (C) 공급성과 비용[${$}$], (D) 예비력 할당 우선순위 단가[${$}$/MW], (E) 급전우선순위 및 (F) 누적 급전용량[MW]을 나타낸다.

표 6에서 누적 급전용량을 기준으로 800MW를 만족시키는 복합 C 발전자원의 급전 우선순위 단가는 주파수조정예비력 시장청산가격(Regulation Market Clearing Price)으로 결정된다. 해당 시장청산가격과 실시간 시장에서 수집된 각 자원별 마일리지가

표 6. 자원별 예비력 할당 우선순위 단가 및 급전 우선순위

Table 6. Resource-specific Rank price and priority ranking

발전

자원

A

B

C

D

E

F

ESS A

0

0

18.03

0.60

1

78.84

ESS B

0

0

20.14

0.67

2

149.41

ESS C

0

0

22.82

0.76

3

211.68

ESS D

0

0

26.33

0.88

4

265.65

석탄 A

1942.38

8461.84

18.93

104.23

13

1234.65

석탄 B

1019.68

3770.85

7.96

79.98

11

1084.65

석탄 C

1160.88

4016.86

8.92

103.73

12

1134.65

복합 A

2628.89

1853.10

15.89

48.19

10

1024.65

복합 B

2291.00

1970.84

59.34

46.30

9

931.32

복합 C

1988.13

1319.81

148.49

32.61

8

837.99

복합 D

1908.60

465.04

88.77

18.94

5

395.65

복합 E

4323.35

1551.78

79.28

28.49

7

731.99

복합 F

2698.61

37.85

139.67

22.59

6

522.99

표 7. 주파수조정예비력 시장가격

Table 7. Frequency regulation market prices

주파수조정예비력 시장청산가격[${$}$/MW]

32.61

주파주소정예비력 공급성과 시장청산가격[${$}$/MW]

1.40

주파수조정예비력 공급용량 시장청산가격[${$}$/MW]

31.21

고려된 자원별 공급성과에 관한 가격 중 가장 비싼 가격(공급성과 부문 시장가격)의 차가 공급용량 시장가격이 된다. 표 7은 주파수조정예비력 관련 부문별 시장청산가격을 나타낸다.

표 8표 7에서 도출된 주파수조정예비력 시장가격을 기반으로 각 자원이 받는 보상 수준을 나타낸다. 표 8에서 보는바와 같이 상대적으로 공급성과지수가 낮은 석탄자원은 모두 시장에 참여하지 하지 못하여 수익을 얻지 못함을 확인할 수 있다. 이는 PJM의 주파수조정예비력 가격결정메커니즘을 국내 전력시장에 도입할 경우, 주파수조정예비력을 제공하는 것에 대한 경쟁 및 보다 빠르게 응답하는 자원에 대한 추가적인 보상을 이끌 수 있다고 판단된다.

3.2 CAISO 주파수조정예비력 시장 가격결정메커니즘 사례연구

본 절에서는 실제 국내 발전기 주파수조정예비력 데이터를 이용하여 CAISO의 주파수조정예비력 시장에서 사용중인 가격결정메커니즘을 모방한 사례연구를 수행한다. 해당 사례연구는 상향 주파수조정예비력에 관한 가격결정메커니즘만을 다룬다. 본 사례연구에는 PJM 사례연구와 같이 3개의 화력, 6개의

표 8. 자원별 주파수조정예비력 공급용량 및 공급성과 부문 보상

Table 8. Resource-specific regulation capacity and performance credit

주파수조정예비력 공급용량 보상[${$}$]

주파수조정예비력 공급성과 보상[${$}$]

ESS A

936.210

42.024

ESS B

934.338

41.940

ESS C

931.529

41.814

ESS D

926.848

41.604

석탄 A

0

0

석탄 B

0

0

석탄 C

0

0

복합 A

0

0

복합 B

0

0

복합 C

2654.150

31.039

복합 D

4056.146

52.020

복합 E

5168.813

66.290

복합 F

2878.315

36.914

복합발전자원 및 4개의 전력저장장치 이용하여 자원별 최대 할당 가능 마일리지와 급전 운선순위 도출 그리고 정산과정을 통한 자원별 보상금액까지 산출한다. 본 사례연구는 앞서 수행된 PJM과 사례연구와의 결과 비교를 위해 모든 자원의 입찰 정보(공급용량 입찰가, 공급성과 입찰가)와 기회비용은 모두 PJM 사례연구와 동일하게 사용한다. 이러한 가정하에서 자원별(PJM 사례의 RegA 자원) 설정값 및 응답량 정보를 기반으로 해당 자원의 마일리지와 정확성을 산정하였다. 각 자원에 대한 마일리지 및 정확성은 CAISO의 주파수조정예비력 시장이 상향 및 하향 주파수조정예비력으로 구분되기에 구분하여 산출한다. 또한 전력저장장치에 관한 마일리지의 경우 국내 발전자원의 평균 마일리지의 3.5배로 PJM 관련 사례연구에서 사용한 가정과 동일하다. CAISO에서 사용되는 정확성 및 마일리지의 개념은 아래의 그림과 같다. 또한 아래의 표 9는 자원별 주파수조정예비력 입찰정보 및 자원 특성을 나타내며, 표 10표 9의 정보를 이용하여 산정한 자원별 예비력 급전 신호에 대한 응답 정확성 및 마일리지를 나타낸다. 표 9에서 RU는 Regulation-up을 의미하며, 표 10에서 MU와 MD는 Mileage-up과 Mileage-down을 의미한다.

자원별 주파수조정예비력 입찰정보, 자원 특성, 자원별 마일리지 및 정확성을 기반으로 주파수조정예비력 시장가격을 결정하기 전에 우선적으로 자원별 할당가능 최대 마일리지를 도출한다. 이러한 자원별 할당가능 최대 마일리지는 과거 시스템 마일리지 승수(mileage multiplier), 과거 시스템 응답 정확성, 속응성 가중치, 자원별 마일리지 승수를 토대로 산출된다. 여기에서 과거 시스템 마일리지 승수는 일반적으로 해당 운영일

표 9. 자원별 주파수조정예비력 입찰정보 및 자원특성

Table 9. Resource-specific regulation bidding information and resource-characteristics

자원 유형

RU 용량 [MW]

RU 용량 입찰가격 [${$}$/MW]

RU 마일리지 입찰 가격 [${$}$/mile]

RU 기회비용 [${$}$/MW]

자원별 증·감발률

[MW/ min]

ESS A

30.00

0

0.043

0.00

30

ESS B

30.00

0

0.043

0.00

30

ESS C

30.00

0

0.043

0.00

30

ESS D

30.00

0

0.043

0.00

30

석탄 A

50.00

14.002

0.013

60.998

10

석탄 B

30.00

14.842

0.011

54.887

6

석탄 C

25.00

15.952

0.012

55.197

5

복합 A

46.67

25.937

0.015

18.283

16.4

복합 B

46.67

24.214

0.060

20.830

12.6

복합 C

53.00

15.049

0.107

9.990

33

복합 D

65.00

14.679

0.065

3.577

16.8

복합 E

104.50

16.393

0.029

5.884

20.9

복합 F

63.67

15.351

0.076

0.215

18

표 10. 자원별 마일리지 및 응답 정확성

Table 10. Resource-specific mileage and accuracy

자원 유형

MU [$\Delta$ MW/MW]

MD [$\Delta$ MW/MW]

상향-응답정확성[%]

하향-응답정확성[%]

ESS A

150.1101

189.8624

100

100

ESS B

150.1101

189.8624

100

100

ESS C

150.1101

189.8624

100

100

ESS D

150.1101

189.8624

100

100

석탄 A

44.00551

44.7571

99.34

99.12

석탄 B

41.2745

44.0081

99.63

99.60

석탄 C

30.2100

29.9674

99.30

99.12

복합 A

44.1850

93.2829

98.99

97.06

복합 B

41.9908

94.5575

99.12

98.74

복합 C

6.3206

5.83856

93.71

99.88

복합 D

31.8421

30.5164

100

100

복합 E

67.4525

67.9420

97.32

96.56

복합 F

78.7165

77.3476

99.06

98.65

운영시간 이전 1주일 동안의 모든 자원의 마일리지 합과 주파수조정예비력 용량(capacity)의 합의 비로서 구한다. 하지만 본 사례연구의 데이터는 하루 중 20분 동안의 데이터를 이용하기에 각 자원의 15분 동안의 마일리지 합과 각 자원의 주파수조정예비력 용량 합의 비율로서 구하였다. 또한, 과거 시스템 응답 정확성은 모든 자원의 응답 정확성 평균값으로 이 또한 현재 활용 가능한 15분 데이터로 산정된 자원들의 응답 정확성을 기반으로 산정하였다. 속응성 가중치의 경우 해당 자원의 주파수조정용 용량과 증·감발률을 이용하여 산정하는 가중치로

그림. 4. CAISO 정확성 및 마일리지개념

Fig. 4. The concepts of CAISO accuracy and mileage

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.4.549/fig4.png

각 자원의 용량만큼을 자원이 1분 이내에 응답 가능하다면 속응성 가중치는 1, 1분에서 2분 이내에 응답 가능하면 2, 9분에서 10분 사이에 응답 가능하면 10의 가중치를 받는다. 이와 같은 과거 시스템 마일리지 승수, 과거 시스템 응답 정확성, 속응성 가중치, 과거 자원별 응답 정확성을 기반으로 자원별 마일리지 승수를 산출하게 된다. 산출된 자원별 마일리지 승수와 각 자원의 주파수조정예비력 용량의 곱으로 자원별 최대 할당가능 마일리지를 산정한다. CAISO의 마일리지 요구량을 충족시킬 때 자원별 증·감발률을 기반으로 해당 자원별 최대 할당가능 마일리지가 사용된다. 자원별 최대 할당가능 마일리지 및 자원별 마일리지 승수, 과거 자원별 응답 정확성, 속응성 가중치, 과거 시스템 응답 정확성 및 과거 시스템 마일리지 승수는 표 11에서 나타낸다. 표 11에서 나타내는 A ~ F는 각각 주파주조정예비력 상향 과거 시스템 마일리지 승수, 주파주조정예비력 상향 과거 시스템 응답 정확성[%], 속응성 가중치, 과거 자원별 응답 정확성[%], 자원별 마일리지 승수 및 자원별 최대 할당 가능 마일리지[mile]을 나타낸다.

CAISO의 주파수조정예비력 용량부문 요구량은 과거 실적 데이터를 기반으로 예측하며, 평균적으로 상향 주파주조정예비력 요구량은 332MW, 하향 주파수조정예비력 요구량은 325MW이다. 이와는 다르게 마일리지 요구량 산정은 아래의 표와 같이 3가지 방법 중 최소값으로 결정된다. CAISO의 마일리지 요구량 산정법은 표 12에서 나타내며, 주파수조정예비력 공급용량 및 각 마일리지 산정방법을 통해 도출한 마일리지(공급성과) 요구량은 표 13에서 나타낸다.

이로써, 주파수조정예비력 공급용량 요구량과 마일리지 요구량(3945.75[mile])을 산출하였으며, 각 자원별 증·감발률을 기반으로 급전우선순위를 결정하여 각각의 요구량을 충족시키는 한계발전기의 입찰가격으로 용량 및 공급성과 시장가격을 결정한다. 표 14는 자원별 증·감발률을 기반으로 결정한 급전 운선순위와 우선순위에 따른 용량(capacity) 및 마일리지(mileage) 누적분을 나타낸다. 해당 표에서 주파수조정예비력 요구량을 마지막으로 만족시키는 복합발전자원 F의 주파수조정

표 11. 자원별 최대 할당가능 마일리지 및 기타 파라미터

Table 11. Resource-specific maximum assignable mileage and other parameters

자원 유형

A

B

C

D

E

F

ESS A

1.63

98.96

1

100

16.4900

494.6990

ESS B

1.63

98.96

1

100

16.4900

494.6990

ESS C

1.63

98.96

1

100

16.4900

494.6990

ESS D

1.63

98.96

1

100

16.4900

494.6990

석탄 A

1.63

98.96

5

99.34

3.2761

163.8082

석탄 B

1.63

98.96

5

99.63

3.2857

98.5713

석탄 C

1.63

98.96

5

99.30

3.2750

81.8760

복합 A

1.63

98.96

3

98.99

5.4411

253.9199

복합 B

1.63

98.96

4

99.12

4.0861

190.6825

복합 C

1.63

98.96

2

93.71

7.7264

409.4985

복합 D

1.63

98.96

4

99.99

4.1225

267.9619

복합 E

1.63

98.96

5

97.32

3.2096

335.4037

복합 F

1.63

98.96

4

99.06

4.0836

259.9876

표 12. CAISO 마일리지 요구량 산정방법

Table 12. Calculation example of the resource- specific mileage multipliers and the mileage requirement

1

예비력 용량 요구량(D-day에 대한 예측값) $\times$ 시스템 마일리지 승수(System mileage multiplier)

2

거래 전 7일간의 해당 거래시간에서 지시된 평균 마일리지

3

D-day 예비력 관련 전체 입찰용량 $\times$ 자원별 마일리지 승수(resource-specific mileage multiplier)

표 13. 주파수조정예비력 공급용량 요구량 및 마일리지 요구량

Table 13. Frequency regulation capacity and mileage requirements

주파주조정예비력 용량요건[MW]

332

1. 주파수조정예비력 마일리지 요건[mile]

541.76561

2. 주파수조정예비력 마일리지 요건[mile]

3945.7500

3. 주파수조정예비력 마일리지 요건[mile]

4040.5056

예비력 공급용량에 대한 입찰단가 ${$}$13.35/MW와 기회비용 ${$}$0.215/MW의 합이 해당 예비력의 공급용량에 대한 시장가격으로 결정된다. 또한, 주파수조정예비력 공급성과 요구량으로 결정된 541.57mile을 마지막으로 만족시킨 ESS B의 공급성과 입찰가인 약 ${$}$0.05/mile가 예비력 공급성과 시장가격으로 결정된다. 이와 같은 공급용량(capacity) 및 공급성과(mileage) 예비력 시장가격은 표 15와 같다.

주파수조정예비력 공급용량 및 공급성과 시장가격을 기반으로 예비력을 제공한 자원에게 주어지는 보상 중 공급성과 보상

표 14. 자원별 급전우선순위, 공급용량 누적분 및 마일리지 누적분

Table 14. Resource-specific dispatch priority ranking, cumulative capacity and cumulative mileage

자원 유형

급전 우선순위

자원별 용량 누적분[MW]

자원별 마일리지 누적분[mile]

ESS A

1

30

494.70

ESS B

2

60

989.40

ESS C

3

90

1484.10

ESS D

4

120

1978.80

석탄 A

11

549.50

3860.06

석탄 B

12

579.50

3958.63

석탄 C

13

604.50

4040.51

복합 A

9

452.83

3505.57

복합 B

10

499.50

3696.25

복합 C

5

173.00

2388.29

복합 D

8

406.17

3251.65

복합 E

6

277.50

2723.70

복합 F

7

341.17

2983.69

표 15. 주파수조정예비력 공급용량 및 공급성과 시장가격

Table 15. Regulation capacity and mileage market prices of the frequency regulation market

주파수조정예비력 공급용량 청산 가격[${$}$/MW]

15.5665

주파수조정예비력 공급성과 청산 가격[${$}$/mile]

0.043

(regulation mileage credit)은 실제 자원이 수행한 마일리지(mileage)가 고려된다. 하지만 본 사례연구에서는 확보한 데이터를 이용하여 사전에 산출한 자원별 마일리지 이외의 정보가 없기에 예비력을 제공한 자원은 사전에 산출된 마일리지만큼 출력 설정값이 변동했다는 가정하에 예비력 제공에 따른 보상을 유추한다. 표 16은 예비력을 제공한 자원의 보상정도를 나타낸다.

앞선 PJM의 사례연구와 CAISO의 사례연구에서 발생하는 공급용량 및 공급성과 시장가격의 차이는 두 시장의 구조 차이라고 볼 수 있다. CAISO의 경우 상향 및 하향 예비력 시장을 각각 운영하며, 본 사례연구에서는 상향 주파수조정예비력 시장 시장만을 고려하였기에 다소 다른 결과값을 얻을 수 있었다. 또한 PJM의 공급성과 시장가격 단위는 ${$}$/MW인 반면에 CAISO의 청산가격 단위는 ${$}$/mile이라는 점에서 오는 차이도 이와 같은 결과를 가져온 것으로 판단된다.

4. 국내 및 북미 주파주조정예비력 시장규칙 비교 및 발전방안

본 논문에서 언급한 PJM과 CAISO를 포함한 북미 주파수조정예비력 시장은 FERC Order 755에 따라 속응자원의 예비력 급전

표 16. CAISO 사례연구 결과(자원별 보상)

Table 16. Results of CAISO case study(Credit by resource)

자원 유형

주파수조정예비력 공급용량 보상[${$}$]

주파수조정예비력 공급성과 보상[${$}$]

ESS A

466.9941

6.4622

ESS B

466.9941

6.4622

ESS C

466.9941

6.4622

ESS D

466.9941

6.4622

석탄 A

0

0

석탄 B

0

0

석탄 C

0

0

복합 A

0

0

복합 B

0

0

복합 C

825.0229

0.2550

복합 D

0

0

복합 E

1626.696

2.8260

복합 F

991.0653

3.3568

신호에 대응하는 속응성, 정확성 및 일치성 반영하여 추가적인 보상을 제공한다. 이는 주파수조정예비력 급전신호에 응답하기 위해 잦은 출력 변화로 발생할 수 있는 자원의 부담을 추가적인 보상으로 보답한다고 볼 수 있다. 이에 반해 국내 전력시장의 시장규칙은 표 17에서 설명된 바와 같이 급전신호에 대한 자원의 응답 속응성, 정확성 및 일치성을 제어성과 가중치 및 제어가용률 가중치로 반영하지만 결정적으로 출력 변화, 즉 마일리지는 고려를 안하고 있는 실정이다. 이에 주파수조정예비력 제공을 위해 잦은 출력 변화를 수행해야하는 자원의 부담을 경감시키기 위해 추가적인 보상이 필요하다고 사료된다.

표 17. 주파수조정예비력 공급자원 보상관련 속응성 및 정확성 반영 지표 비교 (19)

Table 17. The comparison of performance factors relative to the compensation of frequency regulation resources

평가지표

PJM

CAISO

CBP

GF

AGC

성과지수

(정확성 지수),

유효용량지수

마일리지,

마일리지 승수

속도조정률 가중치

제어성과 가중치

마일리지,

신호별 마일리지 비율

마일리지 고려 안함

마일리지 고려 안함

성과지수

(속응성 지수)

부동대 가중치

제어성과 가중치

성과지수

(일치성 지수)

마일리지 승수

실적기반 GF 용량

(GFRQ)

제어가용률 가중치

5. 결 론

본 논문은 북미 ISO/RTO 중 PJM과 CAISO 주파수조정예비력 시장의 시장가격결정메커니즘 및 정산절차에 관하여 간략히 알아보았다. 또한, 자원의 응답 속응성 및 정확성을 반영하는 PJM 및 CAISO 주파수조정예비력 시장의 가격결정메커니즘을 따라 국내 발전자원이(석탄 및 복합화력)이 주파주조정예비력을 제공할 경우 발생할 수 있는 보상의 정도를 도출했다. 도출결과 PJM과 CAISO의 각 자원별 보상금이 상이함을 알 수 있었으나, 이는 CAISO의 주파수조정예비력 시장이 상향 및 하향 예비력으로 구분되었으며, 본 사례연구는 상향예비력 시장만을 고려했기에 발생하는 차이라고 볼 수 있다. 이에 CAISO의 하향 예비력을 제공한 자원의 보상금이 상향예비력 수준이라고 가정한다면 PJM과 유사하게 각 자원이 보상받을 수 있다는 것 또한 확인하였다. 이러한 각