최근 전력시스템은 많은 변화와 도전에 직면해있다. 기존에 화석연료를 사용하던 수송과 난방과 같은 서비스들이 전력화를 통해서 전력수요가 빠르게 증가하고 있고, 화석연료발전소에서 발생되는 온실가스에 대한 규제와 비용이 점점 강화되는 추세는 전력시스템 운영자에게 더 이상 참고사항이 아닌 결정적 제약조건(binding constraint)이 되고 있다. 또한 전통적인 전력생산설비인 원자력 발전소나 송전망 시설에 대한 주민 수용성이 급격히 악화되면서 사회적 비용이 급증하고 있는 실정이다. 이런 문제점에 대한 해결책으로 온실가스 배출 저감에 기여할 수 있고, 사회적 수용성이 높으며, 큰 보급 잠재력을 가지고 있는 재생에너지가 주목을 받고 있다. 대표적 재생에너지인 태양광과 풍력의 경우 에너지균등화비용(Levelized Cost of Energy, LCOE)이 각각 $0.16/kWh, $0.07/kWh 수준으로 화력발전의 LCOE 수준에 거의 근접했으며, 우리나라에서도 2029년까지 태양광 16.6GW, 풍력 8.1GW의 높은 보급이 계획되어 있다. 하지만 태양광, 풍력과 같은 변동성 재생에너지(Variable Renewable Energy, VRE)는 대규모로 전력시스템에 도입이 될 경우 높은 변동성과 간헐성, 불확실성으로 인해 전력시스템의 안정성에 문제를 일으킬 수 있다. 그렇기 때문에 변동성 재생에너지가 전력시스템에 미치는 영향을 선제적으로 분석하고 이에 대한 대응방안을 마련하는 것이 중요하다. 하지만 변동성 재생에너지와 이와 연계되어서 운영되는 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS) 등 전력시스템에 도입이 검토 중인 새로운 기술들의 특징을 포괄할 수 있는 전력시스템 분석 툴은 국내에 아직 미비한 상황이다. 기존의 WASP과 M-Core는 결정론적(deterministic) 정보를 이용해 거시적인 관점에서의 수급 분석에 초점이 맞춰져 있기 때문에 확률적(stochastic) 특성을 띄는 변동성 재생에너지와 ESS의 운용에 대한 미시적인 분석에는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 변동성 재생에너지와 이에 연계된 ESS가 전력시스템에 미치는 영향에 대한 분석이 가능한 확률적 전력계통망 최적화 모형을 제안하고, 제주도 전력계통망을 시범 연구 모형(Test-Bed)으로 이용해 본 모형으로 분석 가능한 다양한 요소들에 대한 탐색과 추가적 활용가능성에 대해서 살펴보고자 한다. 구축된 제주도 전력계통망 모형을 기반으로 하여, 정책시나리오 분석을 통해 풍력과 ESS가 전력시스템의 안정성과 경제성에 미치는 영향을 입체적으로 분석하였다. ‘제4차 신재생에너지 기본계획’과 제주도 지역 에너지 개발 계획 등을 바탕으로 시나리오를 산정해서, 높은 수준의 풍력과 ESS가 향후 전력시스템에 도입되었을 때 어떤 영향을 미치는지에 대해서, 시간별 발전 Mix, 시스템 안정성 유지위한 필요예비력, 풍력 효율성, 계통한계가격(System Marginal Price, SMP), 지역별 한계가격(Locational Marginal Price, LMP), 송전망 혼잡, 최적 ESS 운용 등을 포함한 종합적인 분석을 수행하였다.

제1장 서 론 1 제2장 세계 재생에너지 전력 부문 전망 및 변동성 재생에너지 도입의 문제점 7 1. 세계 재생에너지 전력 부문 전망 7 2. 변동성 재생에너지의 문제점 14 제3장 기존 전력계통망 모형 연구 19 1. 전력계통망 모형의 개요와 효용 19 2. 미국 전력 계통망 모형 사례 21 3. 전력계통망 모형 이용한 선행 연구 분석 26 제4장 MPSOPF 모형 분석 29 1. MPSOPF 개요 및 특성 29 2. MPSOPF 목적함수 및 제약식 구조 30 3. MPSOPF 핵심 구조 개념 분석 36 4. MPSOPF 활용가능성 분석 40 제5장 제주도 전력계통망 모형 구축 43 1. 제주도 전력계통망 모형 구축 44 2. 제주도 전력수요 구조 46 3. 제주도 풍력발전 보급 현황 및 계획 49 제6장 풍력 확률 모형 개발 53 1. 풍속 예측 모형 구축 55 2. Monte Carlo 시뮬레이션 적용한 풍속예측 profile 생성 56 3. 풍력 profile로 변환 58 4. 풍력 Scenario Profile 추출 60 가. Markov Transition Probability 생성 61 제7장 정책 시나리오 분석 65 1. 정책 시나리오 구축 65 2. 정책 시나리오 분석 67 가. 계절별 대표일 시나리오 결과 분석 67 1) 최적 발전믹스 분석 67 2) 전력시스템 최적화 결과요약 71 3) 계절별 풍력발전 패턴 분석 74 4) 전력시스템 운용비용 분석 75 나. 지역별 계통한계가격(SMP) 및 송전망 혼잡 분석 77 1) 지역별 계통한계가격 분석(SMP) 77 2) 잠재적인 송전망 혼잡 효과 분석 80 다. ESS 최적 운용 패턴 분석 82 1) ESS 충방전 패턴 분석 82 2) ESS 저장 에너지량 패턴 분석 84 3. 연간 계통운영비용 분석 86 가. 연간 전력수요 패턴 86 나. Interpolation 기법 이용한 연간계통운용비용 분석 88 1) PCHIP 보간법 이용한 연간계통운용비용 패턴 88 2) 연간계통운용비용 분석 90 3) 풍력규모와 ESS 효용의 상관관계 분석 93 4. 최적 ESS 용량 분석 95 가. Li-Ion ESS 비용 구조 및 전망 95 나. 최적 ESS 용량 탐색 97 제8장 결론 및 시사점 101 참고 문헌 105 부 록 109