전력계통 보조서비스를 위한 ESS 클러스터링 및 최적운영에 관한 연구

Abstract

전 세계적으로 에너지안보와 기후변화에 대한 관심이 높아짐에 따라 국내에서도 이에 대응하기 위해 신재생에너지의 도입을 적극 추진하고 있다. 하지만 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 신재생에너지원의 고질적인 문제인 출력제어의 어려움과 간헐적인 출력으로 인하여 도입율의 점차적인 증가에도 불구하고 적극적인 활용이 어려운 실정이다. 이를 해결하기 위한 방안으로 정부 및 민간 사업체는 에너지저장장치(ESS : Energy Storage System)의 활용에 집중하고 있으며 실증 및 연구가 꾸준하게 이루어지고 있다. 에너지저장장치의 경우 배터리, 플라이휠, 슈퍼커패시터와 같이 다양한 저장장치로 구성되지만 현재는 배터리를 이용한 에너지저장장치가 주를 이루고 있다. 하지만 충분치 않은 용량과 높은 비용으로 인한 실용적이지 못한 부분을 개선하기 위한 노력이 진행되고 있다. 또한 현재의 에너지저장장치는 주파수조정용, 송전혼잡보조용과 같이 한 가지의 목적으로 사용되는 경우가 많아 경제성의 감소로 인하여 필요성에 비해 크게 확장되기는 힘들 것으로 보인다. 그러므로 에너지저장장치의 도입률을 높이기 위해서는 취약한 경제성을 제고할 수 있는 방안이 마련되어야 할 것이다. 따라서 본 논문에서는 현재 사용되고 있는 에너지저장장치의 경제성을 제고하기 위한 방법으로 운영의 효율화 측면에서 접근하였다. 운영의 효율화는 크게 두 가지 측면을 들 수 있다. 첫 번째는 다양한 목적으로 에너지저장장치를 활용할 수 있는 방법을 통하여 이용률을 높이는 것이다. 이용률을 높이기 위해서 한 가지 용도로 사용되고 있는 에너지저장장치의 가용률을 파악하고 이들을 그룹화 하여 다른 용도로 사용할 수 있게 하는 작업이 필요하다. 본 논문에서는 그룹화 작업을 하기 위하여 용도별 클러스터링 기법을 제안하였다. 특히 에너지저장장치를 전력계통보조서비스로 활용하기 위하여 보조 서비스 중 주파수조정을 위한 에너지저장장치의 클러스터링 기법을 제안하였고, 사례연구를 통하여 소규모 에너지저장장치를 클러스터링하여 필요한 자원을 확보함을 확인하였다. 또한 에너지저장장치가 무효전력서비스로 활용될 때 지역별 클러스터링을 통해 연관도가 높은 것들 끼리 클러스터링 함으로써 통합관리의 기틀을 마련하였다. 운영의 효율화를 달성하기 위한 두 번째 방법은 최적 운영 알고리즘을 통하여 비용을 최적화하는 것이다. 에너지저장장치를 발전비용을 최소화하는 방향으로 운영함으로써 이를 달성할 수 있다. 하지만 발전비용만 고려하게 되면 에너지저장장치가 계통의 신뢰성에 기여할 수 없기 때문에 본 논문에서는 발전비용뿐만 아니라 신뢰도 조건도 고려한 최적운영알고리즘을 제안하였다. 이러한 최적화 문제는 동적계획법을 활용하여 계산하였고 연산속도를 빠르게 하기 위하여 매트릭스를 활용한 방법을 제안하였다. 제안한 최적운영알고리즘은 사례연구를 통하여 검증하여 실효성을 입증하였다.