주파수조정서비스 이행상태 평가 개선을 위한

국외출장 결과보고서

'18. 4.

계통운영처

작성자 : 계통기술팀 차장 명준용(☏8626)

1. 출장 목적

▢ 주파수조정서비스 연구개발과제 수행을 위한 해외 운영사례 벤치마킹

* ‘주파수조정서비스(GF/AGC) 이행상태 평가기준 개선을 위한 연구’(‘17.9∼’18.8)

▢ 국외 SO(ISO)의 주파수조정서비스 이행상태 평가 현황 및 최신 기술 동향을 파악하여 국내 주파수조정서비스 평가 방안 개선을 위한 기초자료로 활용

▢ 해외 대학 연구기관 주파수조정서비스 최신 연구기술 조사

2. 출장내역

▢ 출 장 자 : 계통기술팀 차장 명준용

* 연구과제 위탁수행기관(전북대학교) 연구책임자 1인, 연구원 1인 동반

▢ 출장기간 : ‘18.3.26(월) ~ 31(토) [4박 6일]

▢ 출 장 지 : 미국 텍사스주 Austin, Taylor

▢ 주요일정

일 자	일 정	비 고
3.26(월)	인천공항 출국(LA 경유), 미국 Austin 도착	출국, 회의준비
3.27(화)	Austin, University of Texas at Austin 방문	기술 회의
3.28(수)	Taylor, ERCOT 방문 * ERCOT : Electric Reliability Council of Texas	기관소개, 계통현황, GF 기술회의
3.29(목)	Taylor, ERCOT 방문	AGC 기술회의 자료정리
3.30(금)	미국 Austin 출국(LA 경유)	-
3.31(토)	인천공항 도착	귀국

▢ 주요 접촉 인사

성 명	소 속	직 책(부 서)
Ross Baldick	University of Texas at Austin	Professor (Department of Electrical &Computer Engineering)
Sandip Sharma	ERCOT	Manager (Operations Planning)
Nitika Mago	“	Supervisor (Operations Analysis)
Sun Wook Kang	“	Supervisor (Transmission Planning)

3. 회의 내용

가. ERCOT 회의 (주파수조정서비스)

※ 전력거래소, 국내 계통 운영현황 및 신재생 확대계획 소개

▢ ERCOT은 3가지 Type의 예비력 체계를 운영하고 있음

① Regulating Reserve	AGC (4초 주기 신호전송)
② Responsive Reserve	GF 일부 + Spinning Reserve, 발전기 상정고장 대비 (10분)
③ Non-spinning Reserve	수요 및 신재생 변동 대비 (30분)
* GF는 의무사항

▢ ERCOT에서 규정하는 FME(Frequency Measurement Event)는

단지 발전기 탈락과 같은 상정고장에 한하며, 해당 상정고장

동안의 주파수를 기반으로 발전기들의 Governor 특성 즉,

PFR(Primary Frequency Response)을 평가함

▢ ERCOT의 이행상태 평가방법은 주파수 추종서비스(I/SPFR)와

주파수조정서비스(GREDP)로 이루어져있음

- 발전원별 성능평가를 수행하기 위한 별도의 온라인 프로

그램은 없으며 한 달에 한번 씩 오프라인으로 산정하며,

Excel 기반의 데이터 sheet를 통해 산정함

I/SPFR	GF 이행상태(응답량) 평가
GREDP	AGC 이행상태(증가감소율) 평가

* I/SPFR : Initial/Sustained Primary Frequency Response

** GREDP : Generation Resource Energy Deployment Performance

▢ EPFR 계산 : 조속기 유형별 이론(예상) 응답량

ㅇ 발전회사에서 별도로 받은 발전기출력 특성곡선을 기반

(throttle pressure 등)으로 주파수 변화에 대해 예상되는

조속기의 응답량을 조정함

ㅇ PA Capacity는 발전자원의 공급가능용량 중 제약 등의

이유로 출력을 낼 수 없는 양을 정격용량에서 제외시켜주

는 것이다.

* EPFR : Expected Primary Frequency Response

▢ IPFR 계산 : Governor 실제 응답량

ㅇ Ramp Magnitude : 사고 전 발전기 출력이 감발하고 있는

와중에 상정고장이 발생하면 발전기의 출력을 다시 증발하

는 것이 어렵기 때문에 발전기 출력을 Ramp Magnitude를

통해 보정하여줌

ㅇ 조속기가 충분히 응답을 했는지를 평가하기 위해 사고 후

20초에서 52초 평균 출력을 기반으로 계산

* IPFR : Initial Primary Frequency Response

▢ SPFR 계산 : Governor 실제 응답량

ㅇ t+46초에서 60초 구간 중 최대 출력값을 적용하는 이유는

주파수가 회복하면서 조속기의 응답량이 줄어들기 때문에

이에 대한 보완을 위해 최대 출력값을 적용하는 것임

* SPFR : Sustained Primary Frequency Response

▢ GREDP

ㅇ Prequalification test(상업운전 사전시험)에서의 5분 구간에

대한 Pass criterion은 3%와 3MW이며, ED Base point로

부터 얼마나 잘 이행하느냐의 기준은 5%와 5MW이다.

ㅇ GREDP는 급전지시 가능한(dispatchable) 모든 발전자원을

대상으로 평가

- 기존 발전자원과 신재생발전원(풍력) 및 수요반응자원 포함

ㅇ 현재 GREDP의 Pass criterion은 8MW와 10%이며, 이는 고

정값으로 적용함

ㅇ GREDP의 Pass criterion (8MW, 10% 및 85%)은 발전자원

의 이행상태 평가 결과들을 기반으로 통계를 내어 산출된        값임

* GREDP : Generation Resource Energy Deployment Performance

▢ 조속기 부동대 설정

ㅇ 기존 ERCOT에서는 조속기들의 부동대를 36mHz로 규정하

였으나, 최근 1/2의 수준인 17mHz로 부동대 범위를 변경함

ㅇ 최근 한국전력거래소가 고민하고 있는 가변 부동대를

가진 발전원들은 ERCOT 지역 발전원들 중에는 없음
→ 그러나 가변 부동대를 가진 발전원들 또한 전력시장에

참여하기 위해서는 기본적으로 계통운영기관이 규정한

Grid Code를 따라야 하므로 발전회사 내에서 이러한

문제를 해결하여 ISO가 규정한 조속기 부동대 기준을

만족시켜야 함

▢ ERCOT은 Future Proposed Ancillary Services를 아래와 같이

변경하고자 검토하고 있음

- Synchronous Inertia Response Service (SIR)

- Fast Frequency Response Servive (FFR)

- Primary Frequency Response Service (PFR)

- Up and Down Regulating Reserve Service (RR)

- Contingency Reserve Service (CR)

나. ERCOT 회의 (신재생에너지 운영)

▢ ERCOT 최대부하는 70GW, 최소부하는 20GW 수준임

▢ 2017년기준 풍력 약 22GW, 태양광 약 1GW 설치되었음

ㅇ 2022년까지 29.261GW의 풍력 설비계획을 목표하고 있으며,

이는 ERCOT의 총 발전량 중 20%에 해당함

<풍력발전 설비 계획>                <태양광발전 설비 계획>

▢ ERCOT의 신재생에너지관제는 기존 EMS가 있는 Control

Center에서 동시에 하고 있음

ㅇ 최근에 별도의 신재생에너지원을 감시하기 위한 관제사 1

명(desk)를 추가 하였음

<1999년 vs 2018년 발전자원 MIX의 변화>

▢ ERCOT의 전력계통에 풍력발전의 수용률이 높아졌음에도

불구하고 주파수제어성능평가지수인 CPS1은 좋아짐

<CPS1 변화 추이>

<ERCOT의 지역별 풍력발전 설비용량 >

▢ 현재 ERCOT에서는 HVDC가 EI(Eastern Interconnect),

Mexico와 연계되어 있으나, 주파수제어는 미수행함

▢ ERCOT은 한국과 달리 태양광의 설비계획 비중 (2020년까지

3GW)이 풍력보다 낮은데 이는 비용측면이나 설비이용률

(Capacity Factor; CF)측면에서 풍력이 태양광보다 우수하기

때문임

ㅇ 태양광은 소용량 보급률이 낮기 때문에 비하인드 메터는

고려하고 있지 않음

▢ ERCOT의 전원 Mix에서 주파수제어에 기여하는 발전원이

주로 Gas Turbine 이였으나, 최근 신재생발전원의 변동성을

완화시키기 위해 Gas CC의 비중을 높였음

▢ ERCOT의 Nodal Market에 참여하고자 하는 신재생에너지원

은 배전계통이 아닌 송전계통에 연계된 발전원만 해당되며,

이들은 반드시 ERCOT의 급전지시에 따라 주파수 제어를

수행해야 함

ㅇ 대부분의 풍력발전단지는 송전망에 접속되어 있음

▢ ERCOT에서 직접 기상예보를 통한 신재생발전원의 출력을

예측하여 이를 각 신재생발전회사에 통보하고, 신재생발전

회사는 ERCOT이 알려준 예측값을 고려하여 Market에 입찰함

ㅇ 풍력 예측오차율은 약 10% 수준으로 파악됨

▢ 신재생에너지원의 Flexibility와 Uncertainty를 해소하기 위해

ERCOT에서는 Spinning Reserve와 Non-spinning reserve의

요구량이 늘어났음
ㅇ Non-spinning reserve는 신재생발전원에 대한 Forecast

error를 해소하기 위함임

ㅇ 향후, 필요시 Inertia에 대한 예비력을 확보할 예정
ㅇ EROCOT에서는 주기적으로 Inertia를 계산하여 모니터링을

하고 있음

▢ ERCOT에서 확보해야할 예비력의 상한치를 1년 주기로 산정

하되 상황에 따라 필요한 예비력은 매 달(Monthly) 산정하고

있음

다. University of Texas at Austin 회의 (Baldick 교수 발언)

▢ ERCOT과 한국의 Primary Frequency Response 예비력을

단순 비교하기 어려움 (예비력 및 시장 체계가 다르기 때문)
ㅇ ERCOT의 경우 PFR이 의무적(Mandatory)이기 때문에 모든

발전기들의 조속기가 응동했을 때의 양을 가늠하기 어려우

나 대략 400MW의 Regulation Ancillary Service를 추가

확보하고 있음
ㅇ Regulation Ancillary Service는 AGC와는 별개임
ㅇ 풍력발전의 계통접속이 증가하였음에도 불구하고 주파수

제어성능이 더 좋아졌는데 이는 ERCOT이 매해 또는 매월

Regulation Service를 얼마나 생산하고 소비했는지 등을 분

석함으로써 필요시 유동적으로 Regulation Ancillary

Service를 확보하기 때문임

▢ ERCOT의 경우 조속기의 부동대를 36mHz→18mHz로 줄였음
ㅇ 조속기 부동대를 벗어났을 때의 출력의 Step 응답도 없앰

▢ ERCOT은 대략 2.4 ~ 2.7GW의 Spinning Reserve를 확보

▢ 이행상태 평가 항목과 관련하여 타지역 전력회사들 중

속도조정율(Speed droop)을 직접 평가하는 기관은 보지 못함

▢ Future Ancillary Service는 실제 ERCOT에 적용되는 예비력은

아니고 정책측면의 문서임
ㅇ 향후 ERCOT의 관성(Inertia)이 나빠지면 SIR(Synchronous

Inertia Resposne)의 예비력이 별도로 생길 수 있음

▢ PJM에서는 Fast Frequency Response의 개념으로 RegA/RegD를

운영하고 있음

▢ ERCOT은 Real-Time Market이 있어 주파수제어 평가 시,

편차(deviation)가 발생하면 벌금(Penalty)을 부과함

▢ ERCOT은 2017년을 기준으로 전체 전기에너지 중 풍력발전       이 17% 제공하고 있다.
ㅇ ERCOT의 전체 전기에너지 중 30%가 Combined Cycle이

제공하고 있음

▢ 미국 캘리포니아州에서는 NextEra(풍력회사)가 대규모 풍력

발전단지를 운영하고 있음

ㅇ NextEra는 캘리포니아州뿐만 아니라 미국 전역에 당사 설

비는 모두 한 센터에서 제어하고 있음

4. 요약 및 시사점

▢ ERCOT Governor 및 AGC 평가 체계

I/SPFR	GF 이행상태(응답량) 평가
GREDP	AGC 이행상태(증가감소율) 평가

ㅇ Governor 운전은 필수, 의무 사항임

ㅇ GF의 경우 속도조정율 등 특성자료를 직접 평가하지 않으며,

발전기 고장시 주파수추종응답가능량(GFRQ)을 측정하여 평가

- 이론(예상) 응답량과 실제 응답량을 비교 수행

ㅇ AGC의 경우 출력증가감소율(Ramp Rate)를 측정하여 평가

- 발전기 상업운전 전 Prequalification test 시행

▢ ERCOT 예비력 운영 체계

① Regulating Reserve	AGC (4초 주기 신호전송)
② Responsive Reserve	GF 일부 + Spinning Reserve, 발전기 상정고장 대비 (10분)
③ Non-spinning Reserve	수요 및 신재생 변동 대비 (30분)
* GF는 의무사항

ㅇ System Inertia(관성)은 별도로 관리하여 확보함

ㅇ 신재생 대비 미래 예비력 체계를 아래와 같이 제안함

- Synchronous Inertia Response Service (SIR)

- Fast Frequency Response Servive (FFR)

- Primary Frequency Response Service (PFR)

- Up and Down Regulating Reserve Service (RR)

- Contingency Reserve Service (CR)

▢ 신재생 운영

ㅇ 2017년기준 풍력 약 22GW, 태양광 약 1GW 설치되었음

- 2022년까지 설비용량 약 29GW, 발전량 중 20% 목표

ㅇ 대부분의 풍력발전은 송전망에 접속되어 있으며, 급전지시에

따라 운전 가능해야하며, Grid Code를 준수해야 함

ㅇ 신재생발전기도 GREDP(AGC) 평가 수반 필요

ㅇ 기존 관제센터에서 신재생관제를 병행하고 있으며, 최근에

신재생전용 관제사 1명 배치함

▢ 시사점

ㅇ 속도조정율 등 특성자료 평가보다 실제 응답 실적을 평가하는 방안을 검토할 필요 있음

- GF는 의무사항 전환하여 계통 신뢰도를 높여야 함

ㅇ 상업운전 전 GF/AGC 사전평가를 할 수 있는 체계 필요

ㅇ Inertia를 관리하고 평가하며, 예비력 체계에 포함 필요

ㅇ 평가결과에 신뢰성 확보(다수 샘플)를 위해 불시 평가에서 상시 평가 방안 검토 필요

붙임.

1. 출장 사진

2. 출장 증빙자료

[붙임1] 출장 사진

<ERCOT_GF, 신재생 회의>

<ERCOT_AGC 회의>

<University of Texas 회의>

[붙임 2] 출장 증빙자료 (항공 탑승권)