➊ Special Issues 가상발전소 (VPP) 기술현황및전망 1 개황 정구형 한국전기연구원선임연구원 스마트그리드는기존의전력망에 ICT(Information & Communication Technology, 정보통신기술 ) 을접목해전력공급자와소비자가양방향으로실시간정보를교환함으로써에너지효율을최적화하고자하는차세대전력망이다. 이는중앙집중적이고단방향성인기존전력계통의비효율성을극복하기위해 DER(Distributed Energy Resource, 분산형에너지원 ) 을핵심요소로적용하고있다. 따라서스마트그리드환경하에서의전력계통은 DR(Demand Response, 수요반응 ), RES(Renewable Energy Source, 신재생전원 ) 및 ESS(Energy Storage System, 에너지저장장치 ) 를중심으로하는다양한유형의 DER이도입되어규모에따라분산적이고독립적으로운영할수있는유연한형태를갖추게된다. 또한, 소비자측의모든전기기기가네트워크로연결되어전력공급자와소비자간의상호작용이가능하게된다. 18 Journal of the Electric World
+ 가상발전소 (VPP) 기술현황및전망 DER은미래의스마트그리드시장을구성하는기본단위지만그자체만으로는계통연계및전력거래를수행하는데한계가있다. 특히, RES 출력제어의어려움으로인해필요한시점에전력을생산하는것이불가능해질수있으며, 이는결과적으로전압및주파수이상에따른전력품질의저하를야기할수도있다. 더불어 RES의불확실한발전량은적정규모의전력망투자와효율적인운영에서의어려움을초래할수도있다. 또한, DER은그규모가작고설치대수가매우많아이를개별적으로감시하거나관리할수없기때문에전력거래와계통운영을위한가시성 (visibility) 이부족하여개별 DER이단독으로전력시장에참여하는것은현실적으로불가능하다. VPP(Virtual Power Plant, 가상발전소 ) 는이러한문제를해결하기위한대표적인방법으로다양한유형의 DER을 ICT를이용하여통합운영함으로써중앙급전발전기와같은운영상의유연성 (flexibility) 과제어가능성 (controlability) 을확보하기위한기술이다. 실제로소규모 DER은중앙계통에서관리가불가능하지만이들을하나의발전프로파일로통합하여계획발전량, 증 감발률전압제어능력, 예비력등을가시화할수있다면중앙급전발전기로의활용뿐만아니라전력시장에서의전력거래또한가능하게된다. 하지만아직까지 VPP는개념수준에머물러있으며, 이에대한공통된정의가존재하지않는다. 이러한 VPP에대한명확한가이드라인의부재는 VPP 기술지원, 투자및비즈니스모델구축에있어가장큰걸림돌이되고있다. 2 현황 가. VPP의기술적특성 VPP는배전단에서다양한유형의 DER을통합운영 한다는측면에서마이크로그리드와유사한개념이라고할수있다. 일부에서는마이크로그리드가전력회사또는계통운영자에게어떠한서비스를판매하게되면마이크로그리드가본질적으로 VPP가된다고주장하기도한다. 일반적으로 VPP와마이크로그리드간에는상당수준의공통적인특성을공유하는것으로추정하고있지만궁극적인차이는마이크로그리드가최종소비자수준에서의수급균형에초점을맞추고있다. 반면에 VPP는도매전력시장에서의전력거래를통해송전계통수준에서의수급균형에기여하는것을목적으로한다는데있다. 이러한 VPP와마이크로그리드개념간의차이를바탕으로 VPP의기술적특성을정리하면다음과같다. 중앙급전발전기로서계통운영에참여 구성요소로서 DR 및 ESS가필수적인것은아니며, 계통운영자관점에서의제어가능여부가중요 운영자는시장참여자로서발전사업자또는일종의부하관리사업자의형태로비즈니스모델을운영따라서기술특성상 VPP를마이크로그리드보다상위개념으로정의할수있다. 나. VPP 운영현황최근미국과 EU(European Union, 유럽연합 ) 를중심으로 VPP에대한연구가활발하게추진되고있다. 하지만전세계적으로 VPP에대한공통된정의및 DER 통합과관련된명확한규정이수립되어있지않다. 때문에아직까지는 VPP 실증프로젝트를통해이에대한기술적타당성및사업성을검토하는수준에그치고있다. 이에따라, VPP 시장이완전히성숙하기까지는관련된일련의공통규정에대해전력회사를 October 19
➊ Special Issues Natural gas CO 2 Hydro CCS CO 2 Wind and Iwave power Biomass and waste EOR/EGR Natural gas E+ Buildings Solar power and heat Micro wind Varme Heat Hear pump Central CHP Bio refinery Bio products Decentral CHP Micro CHP ETrains Heat storage Industry EVs Power/Hydro Import and export of power 그림 1 가상발전소 (VPP) 개념도 포함한모든이해관계자간의합의가필요할것으로예상된다. 미국과 EU의 VPP 개념은도입목적및주요구성요소에서약간의차이를보이고있다. 미국에서의 VPP 개념은전적으로 DR을기반으로하고있다. 이는미국이전세계에서가장성숙한 DR 시장을보유하고있기때문이다. 따라서미국의 VPP 개념은다양한유형의 DR 자원을통합하여기존의발전기특성을모방함으로써비상시첨두용량, 유효전력및순동예비력과같은계통보조서비스를제공하는것을목적으로한다. 이미미국내에는 EnerNOC과 Comverge 등의민간기업을중심으로통신망을이용하여수요반응자원을원격제어하는 NOC(Network Operation Center) 형태의부하관리사업모델이활성화되어있다. VPP를 통해가격신호에반응하여사전에계획된운영전략에따라자동으로수행되는실시간 DR 형태로의변화를도모하고있다. 한편, PGE(Portland General Electric) 은수요반응이아닌소비자소유의비상발전기를통합하여첨두부하감축에이용하는 DSG(Dispatchable Standby Generation) 프로그램을통해 Oregon주의 21개소비자구역내 32개발전기로구성된 45MW 규모의자체적인 VPP 모델을운영하고있다. 이는연료전지, 폐수처리장내마이크로터빈, PV 및가스터빈을연계하여구성한 VPP로도매전력시장가격이매우높게상승하는경우, PGE에전력을공급함으로써최대부하시전력구매비용을절감하는데기여하고있다. 한편, EU 내 VPP 개발동인은온실가스배출량저감및화석연료에대한의존도완화를위한 RES 및 DG 20 Journal of the Electric World
+ 가상발전소 (VPP) 기술현황및전망 (Distributed Generation, 분산전원 ) 의보급확대와에너지효율향상이라할수있다. 즉, RES 및 DG의보급확대로인해발생할수있는배전망내안정도및전력품질과관련한문제에능동적으로대응하고, 소규모 DER의전력시장참여를유도함으로써전반적인계통운영효율을향상시키기위해이러한분산형자원들 을통합운영및제어하기위한기술플랫폼이 EU 내 VPP 개념의핵심이다. EU 중에서도독일과덴마크가전세계적으로 VPP 기술분야를주도하고있으며이와관련하여다양한 R&D 실증프로젝트를진행하고있지만상업화에이르기까지는아직시간이필요한것으로판단된다. 표 1 EU 내가상발전소 (VPP) 실증프로젝트개요 프로젝트명통합목적가상발전소역할제어방법통신 VFCPP (Virtual Fuel Cell Power Plant) : 29 기의분산형연료전지기반마이크로열병합발전기를통합한 VPP 실증프로젝트 기술적목적첨두부하감축사전에지정한부하프로파일추종운전 중앙제어관리자 중앙제어 양방향통신 : 인터넷 VPN (Virtual Private Network) 채널단방향통신 : RRC (Radio Ripple Control) PowerMatcher 기반 VPP : multi-agent 기반분산형에너지원제어기술적용 기술적목적첨두부하감축등 상업적목적현물시장에입찰 전력가격공지 agent 내부시장운영자 ; 외부전력시장의시장참여자 분산형시장기반제어 양방향통신 : UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) 무선네트워크 FENIX (Flexible Electricity Network to Integrate the expected energy evolution ) VPP : 유럽내대규모 VPP 실증프로젝트 기술적목적대기예비력제공전압제어서비스제공혼잡해결 상업적목적 1 일전전력시장참여보조서비스시장참여 중앙제어관리자 중앙제어 양방향통신 : GPRS (General Packer Radio Service) 및 IEC (International 내부시장운영자 ; 외부전력시장의시장참여자 분산형시장기반제어 Electro-technical Commission)-104 프로토콜 EDISON VPP : 전기자동차통합을고려한 VPP 실증프로젝트 기술적목적수급균형서비스제공전기자동차집단에대한비용의효과적인제어기능제공 중앙제어관리자중앙형시장기반제어 IEC 61850 기반양방향통신 ProVipp (Professional Virtual Power Plant) : 총 8.6 MW 의 9 기수력발전소를통합한 Siemens 의 DEMS (Decentralized Energy Management System) 실증프로젝트 상업적목적전력시장참여예비력시장참여 중앙제어관리자중앙형시장기반제어양방향무선통신 October 21
➊ Special Issues 국내의경우, VPP에대한관심은아직까지연구개발수준에그치고있다. 하지만 DR을통한수요관리및에너지효율화에대한관심은높은편이다. 이와관련된에너지정책또한매우적극적으로도입하고있기때문에향후 VPP 도입에대한동인은충분히조성되어있는것으로판단된다. 현재 DR 기반 VPP의초기형태로간주할수있는수요자원시장을통한부하관리사업자제도또한운영하고있기때문에향후제 3자가소유하는 IPP 형태의실시간 Auto-DR 기반 VPP 모델로발전할가능성이높은편이다. 3 VPP 도입을위한단계별추진전략 VPP 도입은송 배전인프라의지능화가전제되지않는다면별다른의미가없게된다. 지능형계량기 (Smart Meter) 는전력회사에게효과적인비용으로보다정확한요금청구와관련된데이터를수집할수있는능력과소비자에게동적인도매전력시장과연동하는판매가격신호를제공할수있는능력을부여한다. 따라서지능형계량기는송 배전인프라의지능화를위한기본구성요소라할수있다. 통신매체의유형과는관계없이소비자단의지능형계량기보급은 VPP 도입을위한첫번째단계라할수있다. 스마트그리드는최종소비자가수요감축을자동화할수있는설비및기술을이용하여실시간시장상태에반응하는능력을부여하는기술이다. 소비자소유의 DR 또는 DG로생산된잉여발전량을전력회사또는계통운영자에게판매함으로써과거의수동적인소비자를프로슈머 (Prosumer) 로변화시키게될것이다. 따라서이러한소비자환경의변화를바탕으로프로슈머의전력거래를보장하는것이 VPP 도입을위한 2단계라할수있다. VPP 도입을위한 3단계는광범위한지역에설치된 AMI(Advanced Metering Infrastructure, 지능형계량인프라 ) 를기반으로하는지능형네트워크시스템을이용하여전력공급서비스를소비자단에서송전단수준으로확장시키는것이다. 이와더불어자동제어기술은개별소비자자원을상위전력망의자원및계통운영자와연계할수있도록한다. 이와같은상위전력망과의네트워킹이 VPP 도입의 4단계이다. 계통설비관련하드웨어및소프트웨어공급사업자에게는스마트그리드가전세계적으로가장수익성이좋은시장가운데하나로자신의제품과서비스를공급할수있는좋은기회가될것이다. 전기는미래의에너지서비스를위한선택수단이며, 심지어운송분야까지확대되고있다. 실제로 VPP 통합과이에따른계통에새로운가치창조를위해 IT 공급사업자들이중요한매개체역할을수행하고있다. 따라서 VPP 도입 5단계는이러한 IT 공급사업자들이개방된계통아키텍처기술환경하에서혁신에박차를가할수있도록이들의참여를허용하는것이다. 하지만이단계는 IT 기업들이제공하는데이터수집및처리에서의상당한발전없이는불가능하다. VPP 도입을위한 6단계는이러한데이터흐름을아주자연스럽고효율적으로만드는것이라할수있다. VPP 도입 7단계는모든 VPP 관련이해관계자들에게유리한해결책을제시할수있는규제구조를수립하는것이다. 아직전세계어디에서도이수준까지도달하지못했지만미국, 덴마크, 독일및일본과같은국가들은이와관련하여비약적으로발전하고있다. 이상적으로는이것이 1단계가되어야하지만새로운개념, 비즈니스모델및최첨단기술도입시관련된정책및규제는기술의진보를따라가지못하는것이일반적이다. VPP 개념또한이러한경향을보이고있 22 Journal of the Electric World
+ 가상발전소 (VPP) 기술현황및전망 기때문에기술구현을바탕으로 VPP 개념을보다구체화시킬수있어야만관련된정책및규제를수립할수있을것으로판단된다. 4 전망 VPP 도입의전략적목적은전력회사가발전및송전설비등의건설비용과이와관련된투자위험을최소화하면서동시에소비자의전력수요를충족할수있도록 하는것이다. 성공적인 VPP의도입은발전및송 배전부문에대한대규모설비투자없이현존하는발전기와 DR 프로그램등을통해서소비자의부하변화에실시간으로대처하여보다친환경적이고효율적인전력공급이가능하게될것이다. 이와같이소비자의서비스요구와단기적부하의움직임에실시간으로대응하기위해 VPP 는정보기술과진보된계량기술, 자동제어기술및다양한이종기술을포괄적이고정밀하게사용해야한다. October 23