경쟁 시장에서의 적정 주파수제어예비력 용량 결정 방안 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기공학부, 2014. 2. 윤용태.예비력(reserve)은 전력계통의 안정성과 신뢰도 유지를 위해 필수적인 공급 자원이다. 예측수요의 오차, 발전기의 불시고장 등으로 전력수급의 균형을 유지하지 못할 경우를 대비하기 위해서는 적절한 예비력 용량을 확보하는 것이 매우 중요하다. 예비력은 그 목적에 따라 설비예비력, 공급예비력, 그리고 주파수제어예비력(frequency control reserve)으로 분류된다. 설비예비력과 공급예비력은 중장기 전원계획 수립에 사용되며, 주파수제어예비력은 단기운영에서 예상하지 못한 전력수급 상황에 대처하기 위해 보유하는 예비력을 뜻한다. 우리나라에서는 주파수제어예비력을 운영예비력(operating reserve)으로 정의하여 사용한다. 그러나 국가별로 운영예비력에 대한 정의가 상이하기 때문에, 본 논문에서는 좀 더 포괄적 의미로서 주파수제어예비력을 사용하여 실시간의 불확실성에 대응하는 예비력을 표현한다. 전력시스템에서 주파수제어예비력은 전력계통의 주파수를 제어하고 시스템을 안정적으로 운영하기 위해 필수적이다. 여기서 중요한 것은 이러한 예비력 용량을 얼마만큼 보유하고 있을지를 결정하는 데 있다. 전력계통의 운용측면에서 응답특성이 빠른 고가의 예비력을 많이 확보할수록 전기품질과 공급신뢰도를 향상시킬 수 있으나, 경제적인 측면에서 비효율적일 수 있다. 반대로 주파수제어예비력의 용량을 적게 결정한다면, 사고의 발생과 수요변동이 낮을 때에는 경제적일 수 있으나, 부하차단(load shedding) 혹은 공급지장의 발생으로 전기품질저하와 공급신뢰도 하락과 경제적 손실이 발생할 수 있다. 현재 대부분의 국가에서는 주파수제어예비력의 필요용량을 계통상에 발생할 수 있는 사고의 최대크기를 고려하여, 발전기의 최대용량 혹은 수요의 특정 비율로 결정해오고 있다. 이러한 방법을 결정론적(deterministic) 방법이라 하는데, 전력 계통 고유의 확률적 특성과 부하의 변동성을 반영하지 못하기 때문에 계통의 신뢰도와 경제적 측면에서 매우 비효율적이다. 많은 선행 연구에서는 결정론적 방법의 한계를 극복하기 위해서, 전력계통의 확률적 특성을 반영하여 예비력 용량을 결정하는 확률론적(probabilistic) 방법을 통해 최적 용량을 결정하는 방법을 제시해오고 있다. 그러나 대부분의 선행 연구에서의 확률론적 방법은 주파수제어예비력의 전체용량의 크기를 확률론적으로 계산되는 공급지장비용을 고려해 결정하며 1차 예비력, 2차 예비력, 3차 예비력 각각의 필요용량을 결정하는 방법을 제시하지 않는다. 일부 연구에서는 각 예비력 용량을 수급불균형의 크기에 따라 할당하는 방식으로 결정하지만, 각 예비력 간의 기능적, 경제적 상호관계가 고려되지 않는다. 본 논문에서는 실시간 수급균형을 유지하는데 활용되는 주파수제어예비력을 포함한 수급조정자원(balancing resource)의 기능적, 경제적 상호관계를 고려하여 각 예비력과 직접부하제어(direct load control, DLC)의 필요용량을 결정하는 방법을 제시한다. 특히 일반적으로 예비력 필요용량을 결정하는 문제는 단일단계(one stage) 문제의 형태로 일정한 용량이 그 결과로써 산출되어왔다. 본 논문에서는 예비력 용량결정 문제를 예비력 간 상호관계를 반영하여 수학적으로 다중단계(multi stage)의 형태로 정식화하였다. 또한 수급 불균형의 크기와 각 예비력 가격을 고려한 상태에 따라 예비력 필요용량을 가변적으로 결정하는 방법을 제안하였다. 특히, 본 논문에서 제안한 방법은 단일단계에 문제로 국한되었던 예비력 용량결정 문제를 다중단계의 문제로 최초로 제안하는 새로운 접근방법이라는 데에 의의를 지닌다. 이를 위해 본 논문에서는 2차, 3차 예비력, DLC, 그리고 부하차단의 상호관계를 설명하고, 각 자원이 가지는 상호관계를 수학적으로 정식화하였다. 그리고 제안한 수급조정자원들의 상호관계를 반영하여 각 수급조정자원의 필요용량을 결정하는 방법을 수학적으로 정식화하여, 가변(adaptive) 예비력 필요용량 결정 방법을 동적 프로그래밍(dynamic programming)을 통해 제시하였다. 사례 연구에서는 우선 수급불균형의 크기를 임의보행, 평균회귀, 점프확산으로 모델링하여 수급불균형모델에 따라 최적 용량이 다르게 결정되는 것을 확인하였다. 그리고 제안한 동적계획법을 통한 예비력 필요용량 결정방법이 각 수급상황과 시장상황을 반영하여 예비력 용량을 가변적으로 결정하면서 전체 예비력 운영비용을 최소화시킬 수 있음을 보였다. 또한 수급모델의 적절한 선택의 중요성을 확인하기 위해, 앞서 3가지로 생성한 각각의 수급모델에서 결정한 용량결정 결과를 다른 수급모델에 적용하였을 때 비효율적이라는 것을 확인하였다. 마지막 사례연구에서는 논문에서 제시한 예비력 간 상호관계를 고려하여, 빠른 응답 특성의 ESS가 3차 예비력으로서 더 높은 가치를 가질 수 있음을 보였다.초록 i 목차 v 그림 목차 viii 표 목차 ix 기호 및 약어 xii 제 1 장 서론 1 1.1 연구의 배경 및 목적 1 1.2 논문의 개요 및 구성 5 제 2 장 이론적 배경 7 2.1 개요 7 2.2 주파수제어예비력 정의 및 분류 9 2.2.1 해외의 주파수제어예비력 정의 및 분류 체계 9 2.2.2 국내의 예비력 정의 및 분류 체계 13 2.3 주파수 제어와 예비력 16 2.3.1 개요 16 2.3.2 1차 제어 16 2.3.3 2차 제어 23 2.3.4 3차 제어 26 2.3.5 주파수 제어 체계 28 2.4 전력시장 구조와 예비력 시장 31 2.4.1 개요 31 2.4.2 시점에 따른 시장의 분류 32 2.5 9.15 정전사태와 예비력 운영 39 제 3 장 예비력 필요 용량 결정 문제 42 3.1 결정론적 예비력 필요용량 결정 방법 42 3.2 확률론적 예비력 필요용량 결정 방법 47 제 4 장 예비력 간의 상호관계를 고려한 필요용량 결정 53 4.1 예비력 시장과 가격 모형 54 4.2 예비력 간의 상호관계를 고려한 실시간 수급균형 57 4.2.1 논문의 가정 57 4.2.2 실시간 수급 균형과 예비력 상호관계에 따른 실행 59 4.3 예비력 간의 상호관계를 고려한 예비력 필요 용량 결정 62 제 5 장 예비력 필요용량 결정 방법 모델링 65 5.1 동적계획법 65 5.2 동적 계획법을 통한 예비력 필요 용량 결정 69 제 6 장 사례 연구 72 6.1 수급 불균형 모형 72 6.1.1 임의보행 모델 74 6.1.2 평균회귀 모델 75 6.1.3 점프확산 모델 77 6.1.4 수급불균형 모델의 단계 및 상태 정의 78 6.2 예비력 간 상관관계를 고려한 최적용량 결정 80 6.2.1 사례연구 개요 80 6.2.2 수급불균형 모델에 따른 최적 용량 결정 1: 임의보행 81 6.2.1 수급불균형 모델에 따른 최적 용량 결정 2: 평균회귀 86 6.2.4 수급불균형 모델에 따른 최적 용량 결정 3: 점프확산 91 6.3 용량결정 문제에서의 수급불균형 모델 선택 96 6.3.1 임의보행 모형의 검증 96 6.3.2 평균회귀 모형의 검증 98 6.3.3 점프확산 모형의 검증 99 6.4 예비력 간 상호관계에 따른 3차 예비력으로써 ESS의 가치 101 6.4.1 사례연구 개요 101 6.4.2 사례연구와 결과해석 104 제 7 장 결론 106 참고문헌 109Docto