1. 서 론

최근 전세계적으로 재생에너지의 계통연계 비중이 높아짐에 따라 기존에는 전력계통에서 없었던 다양한 문제점이 발생하고 있으며, 이에 따라 안정적 계통운영을 위해 출력제어 등의 대응방안이 적용되고 있다.

제주특별자치도는 'CFI 2030(Carbon Free Island Jeju 2030)' 정책을 통해 재생에너지 중심의 전력 공급 체계를 구축하고 있으나 재생에너지에 대해 2015년 최초 3회를 시작으로 2024년 풍력 51회, 태양광 32회의 출력제어가 발생하며 제주지역 재생에너지 발전량 비중은 20%를 넘지 못하였다^[1]. 제주지역은 풍력과 태양광을 중심으로 재생에너지 발전 비중이 빠르게 증가하면서, 재생에너지 확대에 따른 전력계통 운영 문제가 선제적으로 나타난 대표적인 계통이다. 이에 따라 기존 연구들은 재생에너지 발전 비중 확대가 계통 운영 전반에 미치는 영향을 다양한 관점에서 분석해 왔다. 재생에너지가 확대됨에 따라 제주지역의 수요의 특수성에 따라 평시뿐 아니라 특수일의 수요예측에도 영향을 미치고 있으며, 전압 안정도, 계통 외란 시 재생에너지 추가 탈락 및 이에 따른 UFR 동작 여부 또한 중요한 이슈로 떠오르고 있다^{[2- 5]}.

이뿐만 아니라, 재생에너지 설비가 추가 보급으로 인해 재생에너지로 인한 발전량이 증가하여 특정 시간에 공급과잉이 발생하고 있다. 이로 인해 과잉 공급된 발전량을 전력계통에서 수용하는 방안과 HVDC의 운영전략의 변화도 기술적·경제적 분석도 활발한 상황이다^{[6- 10]}.

재생에너지의 비중이 커지고 계통에 미치는 영향도 함께 커지면서, 최대전력이 발생하는 시간대에 재생에너지가 공급 측면에서 기여할 책임이 발생하고 이를 평가하는 방법도 고안되었다^[11].

제주계통의 재생에너지는 풍력과 태양광의 비중이 압도적이다. 재생에너지는 앞선 연구에서 언급한 것과 마찬가지로 고장 시 영향도 크지만, 평시에 수급 측면에서 발전기의 기동·정지 및 출력계획을 수립하는데에도 중요한 이슈가 되고 있다. 이에 풍력과 태양광의 발전량을 예측하는 기법도 시계열 특성을 고려하고 퓨전 딥러닝, 머신러닝 등 다각도로 연구가 이루어지고 있다^{[12- 14]}.

기존의 연구들은 재생에너지 발전량을 예측하고, 계통에 미치는 영향과 수용성에 대해 기술적으로 연구하였다면, 본 논문에서는 향후 제주지역 재생에너지 발전량 비중을 전망하여 정책적으로 연구하고자 한다.

이에 향후 3년간의 제주지역 전력수요 모델을 생성하고, 전력수급기본계획(이하 전기본)의 제주지역 발전설비계획을 토대로 재생에너지 발전량 비중을 전망하여 재생에너지 수용성을 높이기 위한 전력정책적 시사점을 발굴하고자 한다. 또한, 향후 제주계통의 안정적인 운영 및 계획을 위한 정책적인 제언을 통해 실효성 있는 방안을 제시하고자 한다.

’24년 11월 29일부터 완도-제주 #3HVDC(이하 제3연계선)가 상업 운전을 개시함에 따라 제주계통의 계통 연계 능력은 한층 강화되었다. 이에 따라 계통 접속 대기 중이던 다수의 재생에너지 발전기가 시기에 맞춰 발전사업을 시작할 예정이며, 단기적으로는 재생에너지 발전량 비중이 크게 확대될 것으로 예상된다. 다만, 제주계통 내에서의 수요 한계와 육지계통의 수용성 한계가 함께 존재함에 따라, 단순한 설비 증대만으로는 재생에너지 비중 확대에 한계가 있을 것으로 전망한다.

따라서 본 논문에서는 2025년부터 2027년까지의 제주지역 전력수요를 4가지 모델로 예측하고, 재생에너지 설비 계획과 결합하여 연도별·시간대별 발전량 비중을 전망하였다. 또한, 육지계통으로의 역송 가능 여부에 따라 재생에너지 수용성의 변화를 비교함으로써, 제주 재생에너지의 실질적 확대를 위한 정책적 시사점을 제시하고자 한다. 여기에 더해 2025년 상반기까지의 재생에너지 발전량 비중 실적에 관해서도 확인해 보고자 한다.

2. 본 론

2.1 제주지역 전력수요 증가율 산정

전력수요는 매년 꾸준히 증가해 왔으나, 전력수요 증가율을 전망하는 방법에는 여러 가지 방법이 있을 것이다. 본 논문에서는 연도별 시간대별로 재생에너지 발전량 비중을 구하고자 하므로 2024년의 시간대별 전력수요에 4가지 종류의 증가율을 각각 곱하여 수요 모델을 만들었다. 앞의 2가지 모델은 기존 실적을 기반으로 향후 연평균 증가율을 산정한 모델이고, 뒤의 2가지 모델은 전기본의 목표 수요의 연평균 증가율을 기반으로 만든 모델이다.

2.1.1 평균수요 기반 수요 모델

평균수요 기반 수요 모델(이하 평균수요 모델)은 연도별 제주지역 평균 전력수요의 5년 평균증가율을 곱한 모델로 정의하였다.

표 1. 평균수요 증가율

Table 1. Average Load Increasing Rate

연도	평균수요[MW]	5년평균증가율[%]
2019	628	3.219
2020	625
2021	654
2022	699
2023	722
2024	735

그림 1. 평균수요 증가율

Fig. 1. Average Load Increasing Rate

2.1.2 총수요 기반 수요 모델

총수요 기반 수요 모델(이하 총수요 모델)은 연도별 제주지역 전력수요 총합의 5년 평균증가율을 곱한 모델로 구성하였다.

표 2. 총수요 증가율

Table 2. Average Total Load Increasing Rate

연도	총수요[GWh]	5년 평균증가율[%]
2019	5,719	2.407
2020	5,678
2021	5,871
2022	5,165
2023	6,321
2024	6,441

그림 2. 총수요 증가율

Fig. 2. Average Total Load Increasing Rate

2.1.3 전기본 전력소비량 기반 수요 모델

전기본 전력소비량 기반 수요 모델(이하 전기본 소비량 모델)은 전기본에서 제주지역 전력소비량 기반 목표 수요 연평균 증가율(2.2%)을 곱한 모델이다.

2.1.4 전기본 최대전력 기반 수요 모델

전기본 최대전력 기반 수요 모델(이하 전기본 최대전력 모델)은 전기본에서 제주지역 최대전력 기반 목표수요 연평균 증가율(2.7%)을 곱한 모델이다.

2.3 재생에너지 수용성

계통의 재생에너지 수용성이란 다음 산식과 그림으로 요약할 수 있다.

(1)

$수요_{t} < \sum_{i=1}^{k}발전기출력_{t,i} + \sum_{i=1}^{l}연계선수전량_{t,i} \\+ \sum_{i=1}^{m}재생에너지발전량_{t,i} - \sum_{i=1}^{q}가용수용량_{t,i}$

좌변이 수요가 우변의 식으로 계산된 결과보다 작으면, 재생에너지에 대한 출력제어가 필요하게 되고, 출력제어량은 아래와 같이 계산할 수 있다.

(2)

$출력제어량_{t} = \sum_{i=1}^{k}발전기출력_{t,i} + \sum_{i=1}^{l}연계선수전량_{t,i} \\+ \sum_{i=1}^{m}재생에너지발전량_{t,i} - \sum_{i=1}^{q}가용수용량_{t,i} - 수요_{t}$

그림 3. 재생에너지 수용성 개념

Fig. 3. The Concept of Renewable Energy Acceptance

산식과 그림에서처럼, 계통의 안정성을 위해 Must-Run 발전기의 발전량이 있고, 재생에너지를 통해서 전력수요를 충당한다. 재생에너지가 부족할 때에는 기타 중앙급전발전기가 기동 또는 증발하여 수급 균형을 이룰 수 있다. 그러나 재생에너지가 과잉 공급되어 전력수요를 초과하게 되면, 전력수요를 초과하는 부분만큼 출력제어가 발생한다.

제주계통에서 가용한 재생에너지 수용방식은 연계선을 통한 역송, Must-Run 발전기를 제외한 발전기 정지 및 Must-Run 발전기의 최소발전용량 이하 운전(이하 하향운전) 3가지이다. 이 방식을 통한 수용량을 최대화하는 것과 수요를 높이는 것이 출력제어량을 최소화하고 재생에너지 수용성을 최대화하는 방식이 될 것이다.

2.3.1 육지-제주 HVDC 계통연계 및 현황

제주도의 전력계통은 HVDC를 통해 육지와 연계되어 있다. 1998년 준공된 제1연계선은 육지쪽에는 전남 해남, 제주도는 제주 변환소와 연계되어 있다. 육지에서 제주로 송전하는 것을 기본 방향으로 하여 정송이라 하고, 제주에서 육지에서 송전하는 역송운전이 가능하다.

제1연계선은 3연계선 준공 이전에는 #1Pole만 역송을 시행하였고, 3연계선 준공 이후 25년 봄철에는 1연계선의 2개 Pole을 항상 역송하는 상시역송 방안으로 운전하여 재생에너지 수용성을 더욱 높이고 있다. 제2연계선은 2013년 준공되었으며 육지에서는 전남 진도, 제주도에는 서제주 변환소와 연계되어 있다. 제1연계선과 마찬가지로 전류형 HVDC이며, 양방향 송전이 가능하나, 0%의 Slope를 가져 주파수의 등락을 빠르게 조정하는 역할을 하며, 공급능력이 가장 많기에 상시 정송운전을 하고 있다.

제3연계선은 2024년 상업 운전을 시작하였으며 육지에서는 전남 완도, 제주에서는 동제주 변환소와 연계되어 있다. 전압형 HVDC이며 양방향 송전이 가능하다. 3연계선은 1연계선과 달리 극성 전환을 위한 역송 전후 정지가 필요하지 않다. 3연계선 준공으로 주간 시간 등 재생에너지 공급과잉이 발생할 때 역송할 수 있는 양이 늘어남에 따라 재생에너지에 대한 감발 및 출력제어가 감소하는 등 재생에너지 수용성을 크게 높이고 있다.

본 논문에서는 연계선 역송이 최대로 가능할 때와 역송이 불가능한 때를 구분하여 재생에너지 발전량 비중을 전망하였다. 역송이 불가능한 이유는, 제주와 전남 모두 재생에너지 설비가 많이 설치되어 있어 제주에서 시행하는 역송 전력량을 전남지역에서 수용하지 못하는 문제가 발생하고 있기 때문이다.

2.3.2 중앙급전발전기 하향운전

제3연계선 도입으로 인해 주간 Must-Run 발전기는 3대로 감소하였고 하향운전까지 했을 때의 발전량 합계를 150MW로 하였다. 여기서 하향운전이란 계통평가세부운영규정(이하 계통평가규정)^[16]에서 정의된 최소발전용량보다 더 낮은 출력으로 운전하는 것을 말한다.

계통평가규정에서는 최소발전용량을 ‘송전단 기준 발전기가 환경규제를 준수하면서 안정적인 운전을 유지하기 위하여 발전해야 할 최소 용량을 의미한다.’라고 정의하였다. 즉 환경규제를 준수하면서 연속운전할 수 있는 출력 중 가장 최소한의 출력을 의미하는 것이다.

하향운전은 계통평가규정에서 ‘최소발전용량 이하 운전’으로 명명하며, 특성자료로서는 ‘최소발전용량 이하 운전 시 출력하한치 및 유지시간’으로 규정하고 있다.

정의는 ‘중앙급전발전기의 최소발전용량 이하로의 안정적 운전이 가능한 하향출력값 및 유지시간을 말한다.’와 같다. 연속운전이 가능한 최소발전용량보다 발전기의 출력값을 더 낮춰, 공급과잉이 발생하는 수 시간 동안만 일시적으로 운영하는 방안이다.

3. 결 론

본 논문에서는 재생에너지 설비 보급과 전력수요의 증가를 고려하여, 향후 3년 간의 재생에너지 발전량 비중을 전망하였다. 이를 위해 4가지 수요 모델과 전기본을 결합하고, 육지계통과의 역송 여부를 고려하여 재생에너지 수용성의 변화를 분석하였다.

분석 결과, 제주지역의 재생에너지 발전량은 지속적으로 증가하지만, 발전량 비중은 전력수요의 증가 속도에 따라 다수 둔화하는 경향을 보였다. 특히 역송 가능 여부에 따라 비중이 최대 4.5%P까지 달라지는 것으로 나타나면서 계통 간 연계의 중요성이 드러났다.

전력수요가 늘면 재생에너지 발전‘량’ 자체는 증가하지만, 재생에너지 발전량 ‘비중’은 오히려 줄어들 수 있다. 이는 재생에너지의 발전량 추이가 전력수요와 다른 형태를 보이기 때문이며, 이에 따라 재생에너지 발전량 비중이 ‘희석’되는 구조이기 때문이다.

위 결과를 통해 전력정책적 시사점을 아래와 같이 도출하였다. 첫째, 재생에너지 발전량과 및 비중을 분리하여 모두 관리해야 한다.

전력수요에 따라 발전량과 발전량 비중이 반대의 추세를 보이는 것을 확인하였다. 재생에너지 발전량의 절댓값과 전체 공급에서의 비중은 서로 다른 지표로, 정책목표 설정 시 구분하여 관리해야 한다. 다시 말해, 비중에 치중한 재생에너지 보급 정책은 발전량 자체를 줄이게 될 가능성이 있으므로, 발전량 기준 절대 목표와 비중 기준 상대 목표를 병행하여 설정하는 관리 체계가 필요할 것으로 보인다. 단순히 ‘비중 30% 달성’과 같은 상대 목표만 추구할 때 수요 증가나 출력제어로 인해 발전량 자체가 감소할 수 있다. 따라서 절대 목표인 재생에너지 발전량 ‘00GWh’와 상대 목표인 비중 ‘00%’를 병행 설정하고, 연도별 평가체계를 이원화하는 관리 방안이 필요할 것이다.

둘째, 재생에너지 보급 정책을 환류하는 체계를 갖춰야 할 것이다. 재생에너지 설비계획을 전력수요 증가율 및 첫 번째 시사점에서 언급한 절대 목표와 상대 목표 달성률과 강하게 연계하여 추진할 수 있는 보급정책이 필요할 것이다.

셋째, 전력수요 패턴과 재생에너지 발전 패턴을 일치화해야 한다. 제주지역은 태양광 발전이 주간 시간대에 집중되어 공급과잉이 발생하는 반면, 야간에는 수요가 높고 재생에너지 발전이 적은 불균형이 지속되고 있다. 이를 완화하기 위해서는 시간대별 수요 이전 전략이 필요하다. 주간 시간대에 집중된 재생에너지 발전을 모든 시간대에 효율적으로 수용하며 출력제어를 완화하기 위해 수요 이전 및 신규 수요 창출 전략이 병행되어야 할 것이다. 신규 수요 창출의 예시로는 주간 시간대의 전기차 충전 및 수전해 방식을 통한 그린수소 생산 추가 지원 등이 있을 수 있다. 특히 전기차 보급이 증가한다면 전기차 충전소를 활용해 플러스DR 자원으로 활용할 수 있고, 나아가 ESS와 같은 유연성 자원으로 활용할 방안도 고려할 수 있다.

마지막으로, 계통연계를 강화하고 전남지역 재생에너지 수용성을 높여야 한다. 재생에너지 발전량 비중을 모의한 결과, 제주지역에서 육지계통으로의 역송 가능 여부에 따라 재생에너지 발전량 비중이 최대 4.5%P까지 현저하게 달라지는 것으로 분석되었다. 이는 지역 간 전력계통 연계가 재생에너지의 수용성에 큰 영향을 미치는 주요 요인임을 보여준다. 따라서 계통 간 연계 강화는 특정 지역의 출력제어(Curtailment)를 완화하는 방안이 될 것이다.

특히, 역송을 통해 재생에너지 발전량을 수용하는 지역의 수용성 또한 함께 높여야 할 필요가 있다. 제주는 지리적으로 전남지역과 가까워 전남으로 과잉 공급된 전력을 보내고 있다. 이렇게 과잉 공급된 재생에너지 발전량을 전남지역에서 안정적으로 수용하기 위해서는 송전설비 확충과 신규 수요를 창출하는 전략이 병행되어야 할 것이다.