재생에너지와 같은 변동성 전원(variable generation, VG)의 발전 특징과 관련하여 Ela and O’Malley(2012)는 시간에 따라 최대 발전량이 변하는 특징을 변동성(variability)으로 정의하였으 며, 이러한 최대 발전량 자체가 완벽하게 예측되기 어려운 특징을
불확실성(uncertainty)으로 정의하였다. 또한 Ela et al.(2013)에 서는 변동성과 불확실성이 모두 다양한 시간적 해상도(time resolution)에 따라 다르게 발생하기 때문에 이들을 대응하기 위한 유연성 자원의 필요성에 대해 언급하였다.
그림 9 재생에너지의 변동성 및 불확실성(Ela et al., 2013)
그림 10 풍력 발전기로부터 변동성 및 불확실성 예시(Ela et al., 2013)
Ela et al.(2013)은 풍력 발전 사례를 기반으로 다양한 시간적 해상도에 따른 불확실성과 변동성의 예를 들었다(그림 10; Ela et al., 2013). 5분 단위로 예측된 풍력발전량(붉은색 실선)과 실제 발 전량(파란 점선)의 차이로 예측의 불확실성을 확인할 수 있고, 시간 대별로 가용한 최대 발전량(녹색 점선)과 실시간으로 변동하는 실 제 발전량(파란색 점선)과 차이로부터 변동성을 확인할 수 있다. 그 림 10에서 확인되는 바와 같이, 변동성은 재생에너지의 고유한 발 전 특성을 기반으로 시간에 따라 확률적인 변화를(stochastic process)를 보이며, 통제가 불가능한 변수(random error)이다. 반 면, 불확실성은 실제 발전량을 과소 또는 과대 추정되는 경향성과
같은 계통오차(systematic error)의 특징을 보이며, 예측시스템의
발전기 및 유연성 자원으로부터 유연성 제공 가능량을 확인하였다.
유연성 제공량이 요구량에 비해 부족한 경우, 이를 해소하기 위해 추가적으로 가동이 필요한 비수도권 화력 발전량을 결정하고 이를 기반으로 총 발전량을 결정하였다. 이로부터 총 전력수요를 초과하 는 총 발전량을 계산하여 잉여전력량을 추정하였다.
가. 총 전력수요량 결정
앞 절에서 살펴본 최근 3개년 각 분기별 평일/공휴일 시간대별 패턴자료에 2017년 평균전력 대비 분석대상연도(2030, 2040년)의 전력소비량 증가율을 반영하여 시간별 전력수요를 결정한다. 여기에 시간대별 평균 양수펌핑량(설비용량 4,700MW, 펌핑용량 5,090MW)을 최근 3년 가중 평균한 값을 합산하여 총 전력수요량 으로 설정한다.
나. 유연성 요구량 산정
유연성 요구량을 산정하기 위해서 유연성 요구대상을 확정해야 한다. 우선 장희선·조주현(2018)에서 언급된 바와 같이 재생에너 지로부터 변동성 및 운전예비력을 반영하고, 여기에 재생에너지 발 전량 예측오차를 추가한다.
유연성요구량 = 재생에너지 설비용량 × 원별 변동률 + 재생에너지 발전량 예측오차 + 운전예비력
우선 변동성은 기 확보된 1시간 단위로 계측된 재생에너지 발전 량을 기반으로 1시간 이전 발전량과의 차이의 절대값으로 설정한다.
운전예비력은 수초~수분 이내에 응동을 위한 주파수조정 예비력과 10분 이내에 이용 가능한 자원인 운전상태 대기예비력으로 구성된 다. 총 설비예비력 중 정지 상태의 대기예비력을 제외한 운전예비력 은 기존 발전원을 기반으로 유연성을 확보하고 있어야하므로 주파 수 조정용 1,500MW 및 대기운전예비력(평상시 및 수급대책 기간 각각 1,000MW 및 1,500MW) 등을 유연성 요구량으로 반영하였 다.
그림 11 예비력의 구성(박만근, 2017)
재생에너지 발전량의 예측치 자료는 확보가 어려워, 전력거래소 (2018b)에서 검토한 국외 주요기관 발표 예측오차들의 범위 내에 서 대푯값을 적용한다. 해당보고서에 의하면 예측시스템을 통한 예 측치와 실현 이후 관측치의 차이를 기반으로 한 예측오차는 평균적 으로 태양광의 경우 발전량의 5~15% 수준이며, 풍력의 경우 8.4~19%인 것으로 확인되었다. 여기에 재생에너지 변동성만을 검 토하고자 예측오차가 0%인 상황도 함께 고려하여 전반적인 재생에 너지 확대 영향에 대해 검토해보고자 한다.
다. 유연성 제공량 산정
하루 중 전력수요가 최대치를 보이는 평일 낮 및 평일 저녁시간 등은 가용 가능한 발전기가 가장 많이 운전하고 있으므로 유연성 제공 가능 잠재량이 커진다. 반면 새벽시간 등 최소운전을 유지하고 있는 시간대에는 유연성 제공 가능 잠재량이 떨어지게 된다.
그림 12 잉여전력 발생 메커니즘
기존 발전소 전원별 유연성 제공 기준은 각 발전원별 운전특성 을 반영하여 설정한다. IEC(2012)에 따르면 석탄 발전소의 경우 최소 출력 범위가 용량의 70~80%이므로, 최소 출력량을 70%로 가정하면 85%를 기준 출력으로 하여 각 15%씩 증·감발 운전할
수 있는 유연성을 갖게 된다. 따라서 석탄 화력발전의 유연성 제공