세계 주요국들의 전력계통 운영 기관들은 재생에너지 출력제한 완화 를 위한 다양한 전략을 수립하고 이행하고 있다. 효과적인 출력제한 수행과 더불어 완화 전략을 이행하는 것은 재생에너지의 출력제한이
반의 발전량 확대로 온실가스 배출량이 증가하는 문제가 발생하기 때 문이다. 출력제한 완화 전략은 크게 세 가지로 구분할 수 있는데, 운영 적인 측면, 시장적인 측면, 기타로 구분할 수 있다(NREL, 2014a). 본 연구에서는 국내 출력제한 완화 전략을 수립하는 데에 참고할 수 있는 미국 내 주(州)의 전략들을 <표 3-5>와 같이 정리하였다.
구분 방법 기관 및 계통운영자
운영 측면
풍력 등 재생에너지 Balancing을 위한 AGC로 활용 ERCOT, PSCO 출력제한 된 발전자원을 예비력으로 활용 PSCO 일반 발전기의 최소 발전용량 수준 감소 HECO(Maui) 계통운영 스케줄링 빈도수 증가(주기 감소) WAPA
시장 측면
재생발전자원 시장 참여(시장기반 출력제한) ERCOT, MISO, SPP 발전기 입찰을 억제하는 Negative 입찰을 이용해
경부하시 과잉공급 방지
CASIO, ERCOT, MISO, PJM, ISO-NE
Balancing 시장 도입 CAISO, PacifiCorp
기타
풍력발전 증감발 up management system을 통한
풍력발전 제어 AESO
송전 용량 확장을 통해 풍력발전 출력제한 완화 ISO-NE, ERCOT, MISO, PJM, SPP
예측수준 제고를 통해 풍력발전 출력제한 완화 ISO-NE, PSCO, NV Energy, SMUD
<표 3-5> 미국 주의 재생에너지 출력제한 완화 전략
출처: NREL(2014a, p.24)를 참조하여 재구성
운영적인 측면의 출력완화 전략에서는 재생에너지의 기술적인 측면 들을 활용한다. 구체적으로는 재생에너지를 AGC 및 예비력 자원으로 활용, 일반 발전기의 최소 발전용량 수준 감소, 계통운영 스케줄링 빈 도수 증가와 같은 방법들이 있다. 또한 해외 선진 전력시장에서는 재 생에너지를 시장에 참여시키는 방식으로 시장기반 출력제한을 수행한 다. 이외에도 Negative 입찰을 활용해 경부하 시간에 과잉공급을 방지 하고, Balancing 시장을 이용하는 등의 전력수급균형을 유지하기 위해 다양한 노력을 기울이고 있다(NREL, 2014a). 아래에서는 보다 상세한 대책을 살펴보도록 한다.
2.1. 예비력 및 급전 관리(Reserves and Generation Management)
PSCO는 2010년에 송전선 탈락에 의한 풍력 출력제한가 급격히 증 가했을 때의 풍력의 출력제한 비용과 기저부하 발전기를 운영하는 비 용에 대한 연구를 수행하였다. 이 연구에서 풍력의 출력제한 비용과 기저부하 발전기를 운영하는 비용이 거의 비슷한 것으로 분석되었는 데, 이에 풍력의 출력제한을 최소화하기 위해서 기저 부하 발전기를 정지하도록 결정하였다. 또한 PSCO는 양수발전기에 대한 급전 변경을 고려하고 있다(NREL, 2014a).
PSCO는 풍력발전설비들이 AGC를 갖추고 이들을 Balancing에 참여 하게 하여 풍력의 출력제한을 감소시켰다. ERCOT은 수동식 출력제한 을 자동 시스템으로 변경해서 보다 효율적으로 출력제한을 실시하도록 하였다(NREL, 2014a).
2.2. 최소 출력수준 감소(Reduction of minimum generation levels)
HECO는 풍력발전을 더 많이 활용하면서 출력제한을 줄이기 위한 전략을 채택하였다. 구체적으로는 기저 발전기의 최소 출력 감소, 발전 기들의 더 낮은 출력에서 작동, 주간에는 발전기를 정지할 수 있도록 변경, 신속한 기동(Quick Start)를 위한 예비력 감소, 수요반응(Demand
response)을 예비력에 포함, 소규모 태양광 발전의 제어 성능을 향상시
키는 방법들이 제시되었다. 그중 주요 전략으로는 수요를 증가시키는 프로그램 실시, 전기자동차 급속충전소 20개소 설치, 전기자동차를 이 용한 환경 여행 상품 개발 등이 있다(NREL, 2014a).
CAISO에서는 공급과잉이 발생하면 부하를 다른 시간대로 이전시키 는 방법을 고안 중이다. 또한, 기존의 동기발전기, 저장장치, 수요반응 등을 활용하는 방법을 고안하고 있다(NREL, 2014a).
2.3. 변동적 재생에너지 계통수용 확대(Integration of VRE into the market)
MISO는 2011년 중반에 급전 가능 변동적 자원(Dispatchable
intermittent Resources, DIR) 규정을 통해 출력제한을 경제급전에 포함 시키도록 하였다. ERCOT에서는 풍력발전을 시장에 통합하는 한편, 출력제한을 수동에서 자동으로 변경함으로써 효율적으로 급전 순서를 결정할 수 있도록 하였다. SPP에서는 2014년에 MISO의 방식과 유사 한 방식으로, 풍력발전을 하루 전(Day-ahead) 시장에 참여하게 하였다.
또한 출력제한을 자동으로 구현하는 시스템을 통해 출력제한 시간을 감소시키는 방식을 고안하고 있다(NREL, 2014a).
2.4. 음의 가격 입찰(Negative bidding)4)
MISO, ERCOT, CAISO에서는 공급과잉 기간을 해결하는 한편, 수
동 출력제한을 감소시키기 위해 음의 가격 입찰(Negative bidding)을 사용한다. 부하가 낮은 기간 동안에 음의 가격(Negative prices)을 설 정할 경우, 발전기가 입찰에 참여하지 않고 전력생산을 하지 않게끔 하여 공급 과잉을 감소시킬 수 있다. 한편, 가변 수요는 수익을 증가시 킬 수 있기에 수요량을 증가시킬 수 있다. CAISO에서는 미래에 변동 적 재생에너지의 수용률이 높아질 것을 예상하여 음의 가격(Negative
prices)의 최저치를 현행 -$30/MWh에서 -$150/MWh로 낮추고 있다.
향후에 이 가격 수준이 공급과잉을 해결하는데 적절하지 않다고 판단 되면, 음의 가격(Negative prices)의 최저치를 -$300/ MWh로 더 낮출 예정이다(NREL, 2014a).
2.5. 에너지 임밸런스 시장(Energy imbalance market)
CAISO와 PacifiCorp는 2014년 현재 해당 지역의 수급일치
(Balancing) 자원에 더 효과적으로 접근할 수 있도록 하고자 프로세스
를 자동화하는 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템에서는 Imbalance
energy 충족을 위해 5분 간격으로 각 발전기들에게 급전지시가 이루어
진다. 에너지 임밸런스 시장(Energy imbalance market)은 첫째, 변동성 이 심한 변동적 재생에너지를 수급일치(Balance) 가능 자원으로 증가 시킬 수 있고, 둘째, 혼잡을 최소화하기 위해 송전선을 보다 효율적으 로 관리할 수 있으며, 마지막으로 수동보다는 자동을 방식으로 풍력발
전 증감발을 더 효과적으로 관리할 수 있다는 장점이 있기에, 이로 인 한 출력제한을 감소시킬 수 있다(NREL, 2014a).
2.6. 풍력발전 증감발 관리(Wind Power ramp management system)
AESO는 2011년 겨울에 풍력 증감발의 관리를 위해서 풍력발전 증 발 관리 시스템(Wind power ramp up management system)을 도입하 고, 전력계통이 풍력의 출력 상승을 받아줄 수 없는 경우에는 10분간 풍력의 출력 상승에 대해 상한치를 설정하도록 하였다. 2014년까지만 해도 AESO는 이 방식을 불과 몇 시간 동안만 운영했었는데, 풍력의 수용률이 점차 증가함에 따라 이 방식의 활용 빈도수가 증가할 것으로 예상된다(NREL, 2014a).
APS는 태양광 설비가 집중된 Solana에 열 저장장치를 도입함으로써 태양광 발전의 변동성을 관리한다. 열 저장장치는 태양광의 출력변동 을 평활화하도록 하는 한편, 오후 부하를 충족하기 위해 사용된다.
MISO에는 풍력발전 설비의 규모는 약 13GW로, 풍부한 경험을 바
탕으로 대다수의 풍력 증감발 관리가 가능하다. 하지만 풍력발전의 설 비용량이 20~25GW에 이르게 되면, 풍력의 증감발이 다시 이슈로 떠 오를 것으로 예상하고 있다(NREL, 2014a).
2.7. 송전설비 증대 (Increase transmission capacity)
ERCOT은 CREZ 프로그램을 통해 송전망을 확장하여 출력제한 문
제를 해소하였다. 또한, 2014년에는 추가로 345kV급 송전망을 확충하 였다. MISO는 Multi-value 송전 프로젝트를 확대하여 풍력발전의 계
통수용성을 확대하였다. SPP은 출력제한을 감소시키기 위해 송전선을 추가적으로 건설하였다(NREL, 2014a).
PJM에서는 풍력발전의 출력이 큰 경부하에 대비하기 위하여 경부하 계획을 세웠다. 이를 통해 PJM은 많은 지역에서 송전선 개선이 필요 함을 것을 파악하였고, 이 비용을 전력사업자가 아닌 수요자에게 부담 되도록 하였다(NREL, 2014a).
2.8. 예측능력 제고(Improved forecasting)
PSCO의 풍력발전의 수용률을 증가시키기 위한 연구 중에서 변동적 재생에너지 예측은 가장 효과적인 연구로 꼽힌다. 동 연구에서 PSCO 는 국립기상연구센터(National Center for Atmospheric Research)와 협 력하여 보다 개선된 풍력 예측 모델을 제시하였다. PSCO의 개선된 풍 력 예측 모델을 통해서, 풍량이 많을 것으로 예상되는 기간에 기존 전 원의 출력을 줄임으로써, 공급과잉에 따른 출력제한을 줄일 수 있었다.
또한, 개선된 풍력 예측을 토대로 증감발과 관련한 출력제한도 감소할 수 있었다(NREL, 2014a).
ISO-NE는 소용량 태양광의 가시성을 향상시킬 수 있는 분산전원 예 측 워킹그룹(Distributed Generation Forecast Working Group)을 발족 시키고, 기동정지계획 및 Balancing에 영향을 줄 수 있는 계통 변화를 이해하고자 하였다. 또한, 여러 주에서 발간된 소용량의 태양광의 보고 서를 표준화함으로써 계통 내의 태양광 자원을 더 정확하게 평가할 계 획이다(NREL, 2014a).