2.1 화력발전원 최소발전제약에 의한 수용용량 제한

태양광 발전원 비중이 높은 전력계통의 재생발전원 일간 출력은 일사량이 높은 주간 시간대에 높고 일사량이 감소하는 심야 시간대에 낮은 특성을 가진다. 이러한 재생발전원의 전력계통 수용은 경제급전 방식에 따라 상대적으로 발전단가가 비싼 화력발전원의 출력을 대체함으로써 이루어진다. 따라서 재생발전원의 출력이 높은 주간 시간대에는 화력발전원의 출력을 감발 혹은 정지함으로써, 재생발전원의 출력이 낮은 심야 시간대에는 화력발전원 출력을 증대시킴으로써 각 시간대의 수요에 맞게 전력을 공급해야 한다. 다만, 심야 시간대의 화력발전원 출력 증대는 화력발전원의 설비 특성을 고려하여 수행해야 한다. 화력발전원은 설비 재가동 시에 상당한 시간이 소요되며, 발전기의 성능에 따라 일정 수준 이상의 출력이 확보되어야 해당 발전기의 기동 유지가 가능한 최소발전제약이라는 설비 특성을 가진다. 따라서 심야 시간대 수요에 전력공급이 요구되는 화력발전기는 주간 시간대에도 기동이 유지되어야 하며 이를 위해 해당 발전기들은 주간 시간대에 최소발전용량 이상으로 출력 수준을 유지해야 한다. 즉, 전력수급 균형유지를 위해 수반되는 화력발전원 최소발전제약에 의해 최소발전용량 만큼은 재생발전원의 출력으로 대체할 수 없으며 이로 인해 전력계통의 재생발전원 수용이 제한된다. 또한, 본 논문에서는 설비 특성상 유동적인 출력조정이 어려운 원자력발전원과 운영방식이 일반적인 동기발전원과 달리 피크부하 저감 및 재생발전원의 출력 변동성 보완과 같은 특수 목적에 의한 출력조정이 수반될 수 있는 양수발전원은 출력을 감발하는 것이 어렵다고 판단하여 재생발전원의 출력으로 대체하는 것이 부적합하다고 판단하였다. 이러한 화력발전원의 최소발전제약에 의한 재생에너지 수용용량 제한을 도식화하면 다음 그림과 같다.

그림. 1. 화력발전원 최소발전제약에 의한 수용용량 제한 도식화

Fig. 1. Schematic Diagram of Penetration Capacity Limit by Minimum Power Generation Constraint of Thermal Power Source

즉, 전력계통에 수용 가능한 재생발전원의 출력은 수용한계를 산정하는 시점의 총 발전출력에서 비대체발전원의 출력과 화력발전원의 최소발전용량을 제외한 용량만큼으로 제한된다.

그림. 2. 전력계통 변동성 간 관계 도식화

Fig. 2. Schematic Diagram of the Relation between Power System Variation

2.2 재생발전원 출력변동성에 의한 수용용량 제한

변동성 재생발전원이 연계된 전력계통의 총 변동성($VR_{SYS}$) 산출 식은 통계기법에 따라 다음 식, 그림과 같이 부하변동성($VR_{Load}$)과 재생발전원 출력변동성($VR_{RES}$)의 RMS(Root Mean Square) 값으로 존재하며, 이는 전력계통의 수급불균형을 유발하여 계통주파수의 변동을 야기한다⁽⁸⁾.

이에 대응하기 위해 전력계통 운영기관에서는 정상상태 시 일정 예비력을 확보하여 계통을 운영하며, 이 중 부하변동 대응 예비력을 제외한 예비력만큼을 재생발전원 출력변동 대응 예비력으로 확보할 수 있고 해당 예비력으로 대응할 수 있는 출력변동성 수준 내에서 재생발전원의 계통 수용이 가능하다. 즉, 재생발전원의 계통 수용은 정상상태 시 재생발전원 출력변동에 가용한 예비력으로 대응할 수 있는 변동성 수준 내로 제한된다.

먼저 본 논문에서는 재생발전원 출력변동성에 의한 수용한계를 평가할 때 전력계통의 변동성을 산출하는 식(1)에 대표값을 적용하여 평가한다. 이에 대해 본 절에서는 2019년의 부하, 재생발전원의 출력데이터를 사용하여 전력계통의 순부하 변동성 계산방법의 유효성을 검증한 후 2034년의 수용한계를 평가한다. 검증 방법은 전력계통 순부하 변동성 산출 식에 의해 도출된 순부하 변동성과 시계열 데이터 통합으로 도출된 순부하 변동성을 비교함으로써 유효성을 검증한다. 검증에는 전력거래소에서 제공하는 최소 주기의 데이터인 5분 단위 태

그림. 3. 2019년 5분 단위 부하 및 재생발전원 출력데이터의 시계열 그래프

Fig. 3. Time Series Graph of Power Data per 5 Minutes in 2019

양광 및 풍력 계량데이터를 2019년 1년치의 데이터를 사용하였으며, 이를 시계열 그래프로 나타내면 다음 그림과 같다^(9)(10).

위 데이터인 부하와 재생발전원 출력에 대해 현재 국내 전력계통에서 부하변동량 산정 시 적용되는 신뢰도 99%의 변동성을 구하면 다음 표와 같이 부하변동성은 711MW, 재생발전원 출력변동성은 77MW로 산출된다. 이를 전력계통 순부하 변동성 계산방법에 적용하여 순부하 변동성을 계산하면 715MW로 도출된다. 다음으로 2019년 시계열 데이터 기반의 순부하 변동성을 구해보면 2019년 순부하 변동성은 714MW로 도출된다. 결과를 정리하면 전력계통 순부하 변동성 계산방법에 의한 순부하 변동성은 715MW, 시계열 데이터 기반의 순부하 변동성은 714MW이다. 두 값 사이에는 1만큼의 오차가 존재하지만, 시계열 데이터 기반으로 도출된 순부하 변동성 기준 0.14%의 오차율로 무시할 수 있는 수준이기 때문에 위 등식이 성립한다고 볼 수 있다. 이를 통해 본 연구에서 수용한계 산정 시에 사용하는 전력계통 순부하 변동성 계산방법의 유효성을 검증하였다.

3.1 화력발전원 최소발전제약에 의한 수용한계 평가방법

화력발전원 최소발전제약에 의해 전력계통에 수용 가능한 재생발전원의 최대출력은 앞선 분석과 같이 수용한계 산정 시점의 총 출력에서 비대체 발전원의 출력과 화력발전원의 최소발전용량을 제외한 만큼의 용량이다. 따라서 이 값에 수용한계 평가 시점의 재생발전원 설비 이용률을 나눈 값이 해당 요소에 의한 수용한계가 되고, 이는 다음 식으로 평가할 수 있다.

이때 $P_{S um \quad of \quad G en \quad power(No t \quad Non \quad Rep)}$는 수용한계 평가 기준시점에서의 비대체 발전원의 출력을 제외한 총 출력이며, 전력계통에 수용 가능한 재생발전원 출력에 재생발전원 설비이용률($C.F._{RES}$)을 나누어 수용한계를 평가한다.

3.2 재생발전원 출력변동성에 의한 수용한계 평가 방법

변동성 재생발전원 출력변동성에 의한 수용한계($P_{RES,\: li m,\: RES_{-}VAR}$)는 재생발전원 출력변동에 대응 가용한 예비력에 따라 제한되며 이는 정상상태 시 총 가용예비력($SFR$)과 부하변동에 대응 가용한 예비력($DVR$)의 RMS 차로 결정된다. 또한, 해당 요소에 의한 수용한계의 경우 재생발전원의 출력변동성이 반영된 출력만큼 계통에 수용이 가능하며, 이에 따라 재생발전원 출력변동에 대응 가용한 예비력을 재생발전원의 출력변동률로 나누어준 후 이 값에 재생발전원 설비이용률을 나누어 수용한계를 평가한다. 평가식은 다음 식과 같다.

이때 $RES_{rr_{-}5\min}$은 5분 단위 재생발전원 출력변동률이다.

4.1 화력발전원 최소발전제약에 의한 수용한계

화력발전원 최소발전제약에 의한 수용한계를 평가하기 위해서는 평가 기준시점인 재생발전원 최대이용률 시점에서의 총 출력과 비대체 발전원의 출력, 심야 피크부하 시의 안정적인 전력공급을 위해 수반되는 최대이용률 시점에서의 화력발전원의 최소발전용량을 알아야 하며, 이를 위해서는 심야 피크부하 시점에서의 요구되는 화력발전원의 출력 용량, 가동하는 화력발전기 종류를 알아야 한다. 다만 본 논문에서 평가하는 수용한계는 미래인 2034년 계통을 대상으로 함에 따라 9차 전력수급기본계획에 수립된 2034년의 전력계통 운영조건을 고려하여 계산 요소 값들을 추정하고 이를 적용하여 수용한계를 평가해야 한다.

2034년의 발전원별 출력은 해당 연도의 운영조건과 가동 발전기의 종류 데이터를 모두 고려하는 9차 계통계획 DB를 사용하여 추정하였다. 이때 수용한계 평가 기준시점인 최대 설비이용률 시점과 심야 피크부하 시점에서의 수요에 따라 DB 부하수준 별 계통을 적용하였으며, 재생발전원 최대이용률 시점은 80% 부하수준의 계통을, 심야 피크부하 시점은 60% 부하수준의 계통을 적용하였다. 먼저 심야 피크부하 시점에서의 화력발전원 출력 요구량을 산정해야 한다. 이때, 9차 DB의 경우 재생발전원이 전원구성에 포함되어 있으며 재생발전원 출력이 설비이용률의 연평균 값을 적용한 것임에 따라 심야 피크부하 시의 태양광 발전을 포함한 신재생발전원 출력을 과거 이력데이터를 통해 해당 시점에서의 설비이용률을 산정한 후 이를 2034년 설비계획 용량에 적용하여 추정하였다. 또한, 심야 피크부하 시의 원자력 및 양수발전원의 출력은 주간 시간대와 심야 시간대 간에 상당한 양의 출력조정이 이루어지지 않을 것으로 추측됨에 따라 재생발전원 최대이용률 시점에서의 출력과 동일한 출력을 가지는 것으로 가정하였다. 이러한 추정과 분석에 따라 도출된 심야 피크부하 시의 발전원별 출력 값은 다음 표와 같다.

그림. 4. 2034년 화력발전원 최소발전제약에 의한 수용한계 산정결과 도식화

Fig. 4. Schematic Diagram of the Calculation Result of the Penetration Capacity Limit by Minimum Power Generation Constraint of Thermal Power Source in 2034

재생발전원 최대이용률 시점에서의 총 출력은 2034년 80% 부하수준 계통의 총 출력인 79.1GW이고, 이 중 원자력발전원과 양수발전원인 비대체 발전원의 출력이 18.2GW, 심야 피크부하 시 32.1GW의 안정적인 전력수급을 위해 수반되는 주간 시간대 화력발전원의 최소발전용량이 16.6GW로 도출되었다. 이는 위 그림으로 도식화할 수 있으며, 수용한계 평가식 (2)를 통해 계산해보면 화력발전원 최소발전제약에 의한 수용한계는 100.0GW로 도출된다.

4.2 재생발전원 출력변동성에 의한 수용한계

국내 전력계통에서는 현재 정상상태 시 가용예비력으로 주파수제어예비력을 700MW 확보하고 있다⁽¹¹⁾. 다만 주파수제어예비력은 기존연구를 통해 도출된 2016년 5분 단위 신뢰구간 99%의 부하변동량을 기반으로 부하변동성에 대응하도록 확보하고 있으며, 따라서 재생발전원 출력변동성에 대응하기 위한 예비력은 현재 확보되어 있지 않은 상태이다⁽¹²⁾. 이러한 계통 상황에서 전력계통에 재생발전원 수용 증대로 계통주파수의 변동이 증가하게 되면 주파수편차에 따라 동작하는 1차예비력에 사용될 수 있고, 따라서 본 논문에서는 정상상태 시 가용예비력을 1차예비력인 1,000MW로 적용하여 수용한계를 평가하였다. 마지막으로 수용한계 평가에 필요한 요소 값인 재생발전원의 출력변동률은 과거 2019년의 재생발전원의 출력 이력데이터를 통해 부하변동량과 같이 5분 단위를 기준으로 산정하였으며, 변동률 산정 식은 다음 식과 같다.

그림. 5. 2019년 5분 단위 재생발전원 출력변동률

Fig. 5. Power Variation Ratio of Variable Renewable Source per 5 minutes in 2019

또한, 부하변동성 대응 예비력인 주파수제어예비력 산정 기준과 같이 재생발전원의 출력변동률도 99% 신뢰구간의 값으로 산정하였으며 상세 산정결과는 위 그림과 표와 같다.

도출된 99% 신뢰구간을 가지는 재생발전원의 출력변동률은 3.12%이며, 이 값과 앞서 도출된 값들을 적용하여 재생발전원 출력변동성에 의한 수용한계를 평가하면 다음 식처럼 51.7GW의 수용한계가 도출된다.