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문제 정의
- 데이터 처리는 예측 기술의 핵심으로 통계기법에 기반한 상관관계 분석, 시계열 분석, 데이터 마이닝, 기계학습 등의 다양한 기술이 알려져 있다 (Paluszek and Thomas, 2016). 데이터 처리 결과로 기후 데이터와 발전량 데이터 간의 관계식이 생성되는데, 이렇게 예측 모델을 생성하는 것이다.
- 또한 문제의 크기와 최적화 주기에 따라 메타 휴리스틱법을 적용하고 있다. 목적함수는 전력시장 및 전력계통운영정보를 연계한 공급원 수익을 최대화하도록 하였다. 특히, VPP 연계 요소 중 에너지 저장장치인 배터리의 최적 운전조건을 제시하고, 최대 수익을 위한 전력판매 전략이나 배터리의 충방전 조건을 고려하고 있다.
- 미국에서의 가상발전소는 효율화와 수요관리를 중심으로 하는 모델로 다양한 유형의 DR 자원을 통합하여 기존의 발전기 특성을 모방함으로써 비상시 피크용량(peak capacity), 유효 전력 및 순동예비력과 같은 계통보조서비스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 가상발전소는 피크부하(peak load)가 걸릴 경우 계통을 직접 보조하고 보완하는 기능을 한다.
- 개발된 시스템의 성과를 분석하기 위해서는 모의실험을 할 수 있는 시뮬레이터의 개발과 구축이 중요하다(손달호, 1992). 본 연구에서는 VPP 솔루션의 성능을 검증하기 위해 모의 시뮬레이터를 제안한다. 모의 시뮬레이터를 통해 VPP 솔루션 플랫폼의 기능을 시험할 수 있다.
- 본 연구에서는 기계학습 중 신경망(neural network) 기법을 이용해 발전량 예측 모델을 개발하였다. 발전량 예측 모델은 <그림 3>에 나타난 바와 같이 2단계로 개발되었다.
- 계통운영 보조서비스는 시장참여자가 전력계통의 신뢰도와 안정성을 유지하기 위해 발전사업자가 공급하는 서비스를 말한다 (오창진 등, 2013). 본 연구에서는 변동성이 큰 전력수요와 계통이나 발전기의 문제로 인한 계통주파수 변동을 제어하기 위해 에너지 저장장치의 충방전을 이용해 자동적으로 대응하여 주파수 추종(governor free) 운전을 다룰 수 있게 한다.
- 본 연구에서는 신재생에너지 발전원과 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)를 주축으로 하는 VPP의 구축 및 운영에 있어서 필요한 주요 요소기술이 무엇인지를 살펴보고, 그러한 요소기술들의 개발과 전체 개별 요소기술들을 통합하여 운영할 수 있는 VPP 플랫폼의 기획과 설계 및 실제 개발사례 제시한다. 본 연구를 위해 VPP의 특성을 서술하고 이에 근거한 VPP 도입전략과 선결사항들을 먼저 파악했다.
- 본 연구에서는 태양광과 풍력의 재생에너지 발전원과 제어 가능한 에너지 저장장치를 기반으로 한 가상발전소 개발사례를 제시하였다. 특히, 예측기술과 운영전략 최적화 기술을 핵심 요소기술로 보고 이것의 적용방안을 제시하였다.
- 이는 VPP의 도입으로 발전 및 송·배전부문에 대한 대규모 설비투자 없이 현존하는 발전기와 DR 프로그램 등을 통해서 소비자의 부하 변화에 실시간으로 대처하여 보다 친환경적이고 효율적인 전력공급이 가능하도록 하기 위한 것이다.
- 그러나 앞서 살펴본 선행 연구에서 아직까지 분산전원과 전력계통의 연계, 그리고 전력시장의 참여까지 포함하여 종합적인 관점의 연구는 많이 이루어지지 않고 있다. 이에 분산전원의 최적구성 및 운영과 전력계통과의 연계, 그리고 전력시장에의 참여 등을 위해 필요한 요소기술들을 전체 최적화 관점에서 연구한 내용을 본 논문에서 기술하였다. 특히, 본 연구의 VPP는 선행 연구와 대비하여 분산전원의 성공적인 운영과 관리를 위한 원천 기술로서 분산전원의 발전 데이터와 기후 데이터를 모니터링하고 VPP의 안정적인 운영을 위한 높은 정확도를 가지는 예측 및 최적화 모델을 만들기 위한 빅데이터를 확보할 수 있는 기반 기술을 제공하고 있다.
- 전력시장에서 가상발전소는 물리적으로 통합된 단일 설비는 아니지만, 일관적인 관리 및 제어시스템으로 운영되기에 논리적인 개념에서는 하나의 발전소와 동일하게 취급됨으로써 발전경쟁시장에서 발전사업자나 구역전기 사업자로서(배인수, 2007), 이익 최대화를 목적으로 에너지 시장 및 보조서비스 시장에 참여하여 서비스 제공을 목적으로 한다(박성원, 2018). VPP는 다양한 DER(distributed energy resource)을 ICT를 이용하여 통합 운영함으로써 중앙계통에서 관리가 불가능한 소규모 분산 에너지 자원을 하나의 발전 프로파일로 통합하여 계획발전량, 증·감발율 전압제어 능력, 예비력 등을 가시화 할 수 있게 하여 중앙급전 발전기로의 활용뿐만 아니라 전력시장에서의 전력거래 또한 가능하게 한다(정구형 등, 2015).
- 반면, 유럽연합 국가들의 가상발전소 연구개발 동인은 신재생에너지 보급 확대에 따른 전력계통 신뢰도 문제를 해결하고자 소규모 분산 전원의 전력시장 참여를 가능하게 하는 분산형 전원의 통합운영 기술 플랫폼을 구축하는 것이다. 즉 전력수요를 각종 전자기기를 통해 실시간으로 파악하고, 공급부분에서는 태양광, 풍력, ESS 등 다양한 분산전원의 설비를 정보통신 기술로 통합하여 하나의 발전소처럼 운영함으로써 EU 배전계통을 비용 효율적이고 안정적이며 지속가능하도록 구현하고자 했다. 이상으로 미국과 유럽의 가상발전소 운영특성을 정리하면 <그림 1>과 같다.
- 본 연구에서는 태양광과 풍력의 재생에너지 발전원과 제어 가능한 에너지 저장장치를 기반으로 한 가상발전소 개발사례를 제시하였다. 특히, 예측기술과 운영전략 최적화 기술을 핵심 요소기술로 보고 이것의 적용방안을 제시하였다. 또한 제안된 가상발전소 플랫폼의 구현요소로서 통합관제센터 UX와 분산자원 전력중개거래 시스템, 그리고 에너지 저장장치의 충방전 제어용 계통운영 보조서비스 기능 개발 내용을 소개하였다.
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