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전력계통 유연성 증가를 위한 앙상블 기법의 태양광 발전 출력 예측 모델링에 관한 연구
A Study on Solar Power Forecasting Ensemble Model for Increasing Flexibility in Power System
2021년 2월 최성현
전세계적으로 지구온난화를 유발하는 온실가스를 줄이기 위해 에너지원의 사용을 기존 화석 연료에서 지속 가능한 재생에너지원으로 바꾸고 있다. 우리나라 또한 2030년까지 보급되는 재생에너지의 설비용량을 전체 발전량 비중의 20%인 48.7GW로 증가시키고, 2050년까지 5대 녹색 국가 중 하나가 되는 것을 목표로 하고 있다. 재생에너지 발전원은 미래 지향적이며 많은 장점이 있지만, 기상조건에 큰 영향을 받아 출력이 간헐적이고 변동성이 크다는 단점을 가지고 있다. 이는 안정적인 계통 운영 및 계통의 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있다.
재생에너지원에서 창출되는 이익을 지키기 위해서는 변동성 전원의 출력에 대한 간헐성, 변동성을 해결하고 계통의 유연성 증가, 계통의 안정성을 확보해야 하며 가장 비용 효율적인 방법으로는 출력 예측이 제시되고 있다. 본 연구에서는 변동성 전원 중 태양광 발전 출력의 문제점을 해결하고 계통의 유연성을 증가하여 안정적인 계통 연계 확대를 위한 태양광 발전 출력 예측 기법을 제안한다. 또한, 예측 결과를 모의 전력계통에 적용하여 전력계통에 태양광 발전 설비가 투입되었을 때 전력계통에 어떤 영향이 있는지를 분석하고자 한다.
태양광 발전의 출력 예측은 공간모델링과 머신러닝을 활용한 앙상블 기법으로 모델링하였다. 예측 알고리즘은 1) 상관관계 감쇠거리를 계산하여 예측 지점에 유의미한 영향을 줄 수 있는 기상관측소를 확인하고 그 중 목표 지점의 기상 데이터를 추정할 기상 관측소를 선정한다. 2) 선정한 기상 관측소의 일사량을 예측하고 이를 이용하여 각거리 가중치 보간법으로 목표 지점의 온도, 습도, 일사량을 추정하였으며 3) 추정한 기상 데이터를 이용해 목표 지점의 태양광 발전 출력을 예측하였다. 일사량 예측과 태양광 발전 출력 예측은 머신러닝 앙상블 모델 중 배깅 모델을 사용하였으며, 기존 배깅 모델과 달리 본 연구에서는 기본을 앙상블 모델로 사용하여 예측 성능을 높이고자 했다.
예측 결과 중 특정일의 출력 데이터를 이용하여 IEEE 39 bus system의 태양광 발전 설비가 없는 경우, 10%의 태양광 발전 설비가 추가된 경우의 정상상태와 N-1 상정고장 시 계통의 안정도를 분석하였다. 그 결과 태양광 발전 설비가 추가됨으로써 생기는 선로의 과부하 및 전압위반 발생 가능성을 확인할 수 있었다. 이를 기반으로 전력계통에서 변동성 전원이 투입되었을 때 어떤 영향이 생길 수 있는지 확인해볼 수 있었다.
변동성 전원이 증가하면서 계통의 유연성 증가가 중요해졌고, 재생에너지 예측 기술의 중요성이 점점 커지고 있다. 본 연구는 재생에너지의 확대 보급에 도움이 될 수 있는 태양광 에너지 출력 예측 기법을 제안하였으며, 이를 통해 우리나라 전력계통의 안정도와 신뢰도 향상에 기여할 수 있기를 바란다.
1. 서론
1-1. 연구배경
- 2015년 파리협정에서 196개 국가가 21세기 말까지 지구 온난화를 유발하는 온실가스를 사용하지 않도록 노력하겠다는 사항에 동의했다. 이 협정으로 인해 재생에너지원을 통한 에너지 발전의 필요성이 강조되었고, 태양광, 풍력발전과 같은 변동성을 가지고 있는 발전시스템을 어떻게 관리하고 통합할 것인지에 대한 연구에 대해 많은 관심을 두게 만드는 계기가 되었다.
- 우리나라의 경우 2020년까지 7대 녹색 국가, 2050년까지 5대 녹색 국가 중 하나가 되는 것을 목표로 하고 있으며, 2020년까지 에너지 자립도 50% 달성, 2050년까지 100% 달성 및 화석연료 수업 의존도를 해소하려는 계획을 하고 있다. 목적 달성을 위해 제8차 전력수급계획 및 재생에너지 3020 이행 계획에서는 2030년까지 보급되는 재생에너지의 설비용량이 48.7GW로 증가할 것이며 발전량 비중을 20%까지 늘리겠다는 목표를 세웠다.
- 전력계통에서 태양광 발전의 투입이 높아지면 경제적으로 많은 이익을 가져오지만, 기상조건에 많은 영향을 받는 태양광 에너지는 간헐적이고 변동적인 특징을 가지고 있다. 재생에너지원에서 창출되는 경제적 이익을 지키기 위해서는 태양광 발전 출력에 대한 간헐성, 변동성 해결 그리고 계통의 안정성을 확보해야 하며 가장 비용 효율적인 방법인 출력 예측에 관한 연구가 절실히 필요해지고 있다.
1-2. 연구개요
본 논문에서는 공간모델링과 머신러닝을 활용하여 태양광 발전 출력 예측을 진행하고 예측 결과를 토대로 전력계통에 변동성 전원이 투입될 경우 계통의 영향을 분석한다. 공간모델링, 예측 그리고 계통 분석에 사용한 툴은 Excel, Python, Power World Symulator이다.
| 공간 모델링 | 예측 모델링 | 계통 분석 |
| Excel, Python | Python | Power World Simulator |
※ 태양광 발전 출력 예측
- 상관관계 감쇠거리를 계산하여 예측 지점에 유의미한 영향을 줄 수 있는 기상관측소를 선정
- 선정한 기상 관측소의 일사량을 예측하고 이를 이용하여 각거리 가중치 보간법으로 목표 지점의 온도, 습도, 일사량을 추정
- 추정한 기상 데이터를 이용해 목표 지점의 태양광 발전 출력을 예측
1-3. 논문의 구성
- 먼저 각 기상관측소의 과거 데이터로 미래의 일사량을 예측하였다. 예보로 나오는 온도, 습도와 예측한 일사량을 가지고 목표 지점의 미래 기상 데이터를 공간 모델링을 통하여 추정하였다.
- 다음으로 태양광 발전소의 과거 데이터를 통해 출력 예측 모형을 모델링 한다. 만들어진 모형에 공간 모델링을 통해 추정한 기상 데이터를 입력하여 출력을 예측하는 것이다.
- 예측의 결과를 토대로 전력계통에 변동성 전원이 투입되었을 때 어떤 영향이 있는지 살펴보았으며, 본 연구에서는 IEEE 39 bus system 모의 계통을 통해 분석하였다. 이러한 출력 예측에 관한 연구는 변동성 전원에서 오는 문제점 해결 및 경제적이고 효율적인 계통 운영에도 도움을 줄 수 있다.
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