배분된 PV를 통합하기 위한 세부 데이터 취득
전력 생산량 변동성 계산을 위한 새로운 기술, 솔라애니웨어 플리트뷰
존 ‘스킵’ 다이스(John ‘Skip’ Dise)
필자는 클린파워리서치(www.cleanpower.com)의 제품 담당 책임자다. 그는 이 회사의 태양광 예측 기술의 발전 관리 책임을 맡고 있으며, 청정에너지 산업에서 다년간의 근무 경력을 바탕으로 경제를 살리면서 천연가스 및 석유의 영향을 줄이는 환경 개선 기술 보급에 앞장서고 있다. 메사추세츠 공과대학에서 화공학 학사학위를 받았으며, 캘리포니아 대학-샌디에이고에서 재료 화학 석사학위를 받았다.
PV 설치물은 원래 아주 가변적이다. 이 말의 의미는 PV 설치물은 구름에 가려지기 때문에 전력 생산량이 급격히 변한다는 의미다. 이러한 변동성은 일반적으로 개인 PV 시스템 소유주에게는 큰 걱정거리가 아니지만, 서비스 영역 내에서 엄청난 양의 그리드에 연결된 PV 시스템을 소유한 독립적인 시스템 운영자(ISO)나 공익사업체에는 큰 문제가 된다. 이러한 PV ‘시스템’의 성능이 어떤지 올바른 정보를 얻는 것이 공익사업체와 ISO에게는 아주 중요하다. 이러한 정보를 통해 공익사업체와 ISO는 PV에 원활하게 접근하고 그리드에서 PV 생산량을 높임으로써 자신들과 전기세 납세자, PV 시스템 소유주로서 비용을 감축할 수 있는 것이다.
고흡수 PV에 대해 한 가지로 정의할 수 없지만, 일반적으로 이해되는 방식은 추가적인 노력을 통해 분산된 생산 전력 통합을 최적화할 수 있다면 이는 고흡수 상황이 된다는 것이다. 공익사업체와 ISO에게 있어 특히 중요한 관심사는 전력 생산 시스템의 신뢰성 및 안정성과 관련된 변동성의 효과를 수치화하는 능력이다. 이런 종류의 분석에는 특정한 서비스 영역 내에서 각 시스템에 대한 정보가 요구된다. 이 ‘세부적인’ 정보는 최근까지도 얻기가 어려웠고 고가의 비용이 들었다.
솔라애니웨어 플리트뷰(SolarAnywhere FleetView)와 같은 신기술이 이러한 어려움을 해결하면서 공익사업체는 비용 효과적으로 세부적인 정보를 얻고 전력 생산량 변동성을 계산할 수 있게 됐다. 이러한 정보 덕분에 그리드 운영자들은 그리드 인프라에 대한 대규모 투자를 하지 않고도 PV의 전체적인 경제적, 운영상의 영향을 쉽게 계산할 수 있다.
그리드에 연결된 PV의 도전
PV 보급률이 늘어나면서 PV 전력 생산 변동성은 에너지 공급자들에게 기획 단계부터 일상적인 운영에서까지 중요한 걱정거리가 된다. 자연조건에 따라 출력이 변동되는 간헐성 때문에 공익사업체와 ISO는 보유량 일정 관리 및 운영 의무에 관해 걱정거리를 안고 갈 수밖에 없다. PV 전력생산이 공익사업 규모의 발전소든 소규모 주택용 시스템의 집광이든 이 말은 모두에 해당된다.
공익사업체들은 또한 PV 생산량이 지역의 배분 영역에 어느 정도로 영향을 미칠지와 관련해 걱정을 떠안게 된다. 전력 배분 시스템이 일방적인 전력 조류에 맞춰 설계되기 때문에 배분된 PV 시스템의 높은 보급률은 전압 조정, 전력 조류, 시스템 보호에 영향을 미친다. 이러한 실제적인 위험 인식이 그리드 운영 시 존재했기 때문에 미국 내 규제기관들, 예컨대 캘리포니아 공공사업 위원회(CPUC) 및 연방 에너지 규제 위원회(FERC) 같은 기관에서는 절정 부하(최대 수요 전력) 15% 이하까지 특정 지역 내 PV 보급률을 제한하는 규정을 도입했다. 추가적인 연구가 필요한 부분이지만, 이러한 제한선을 넘어서면 신규 PV 설치비용이 상당 부분 추가되고, 이는 곧 PV 성장의 걸림돌로 작용할 것이다.
이 문제는 주의 적극적인 신재생에너지 도입 목표를 고려해 보면 특히 간과할 수 없는 문제다. 예컨대, 2020년까지 33%라는 신재생에너지 도입을 목표로 하는 캘리포니아의 경우, 이 목표를 달성하기 위해서는 여러 에너지원 중 PV가 차지하는 비중을 10년 동안 고작 5,000MW 규모로 해야 한다고 전문가들은 예측한다. 그러나 이러한 에너지원을 어느 정도까지 규제할지는 현재로선 아직 미지수다. 에너지 저장 산업과 그리드 운영자들은 모두 이 문제를 정확히 수량화하는 모형과 도구를 통해 도움을 얻을 것이다. 에너지 제공업체들은 전기 배분 시스템에 미치는 고보급률 PV의 영향을 초기 단계 수준에서 이해하고 있다. 그리고 PV 변동성을 분석하는 표준도 아직 설정되지 않은 상태다. 표준화된 접근법이 부재하기 때문에 비용이 증가하며 PV 성장에도 걸림돌이 되고 있다.
구체적으로 다음과 같은 문제들이 있다.
- 세부적인 데이터를 얻는 데 있어서의 어려움 : 현재까지 PV 시스템 성능의 미터 측정 정보를 얻는 주된 방법은 통신 네트워크 연결(인터넷, 셀 모뎀 등)과 함께, 고가의 하드웨어를 설치하는 것이었다.
- 추가적인 하드웨어 요건 : PV의 고보급률로 야기되는 전력 수급 위험과 다른 문제들을 극복하기 위해 공익사업체에서는 그리드에 연결된 PV 시스템의 소유주들에게 전압관리 장치 같은 추가적인 하드웨어를 설치하고 관리할 것을 요구할 수도 있다.
- 계획적 연구를 시행하는 데 따른 비용과 시간 : 계획적 연구를 시행하는 데 따른 비용과 장기적인 연구 기간, 그리고 이러한 연구의 정적인 성격 때문에 변수들의 영향을 수량화하는 것이 어렵다.
- 예비전력 계획 : 전력 수요가 정점에 달했을 때 배분된 생산 전력의 영향을 수치화하면 예비 전력량이 얼마나 필요한지 그 규모를 정할 수 있고, 잠재적으로는 예비전력 생산 발전소의 추가 신축 건물 수를 줄일 수 있다.
- 배분된 생산량 예측 : 시스템 균형을 유지하려고 전력 관리 당국은 예비 에너지를 보내기 위해 배분된 PV의 변동성을 예측할 필요가 있다.
이러한 우려들이 있는 상황에서 공익사업체와 에너지 기관들은 최근 이 문제를 연구하는 연구 인력을 배치하기 시작했다. CPUC 캘리포니아 솔라 이니셔티브 리서치와 개발 배치 입증(CSI RD&D) 연구소 같은 대규모 연구소에서는 태양광의 성장을 지원하려는 목표로 그리드 통합 문제들의 해결에 주력해 왔다.
도전에 대한 대응
클린파워리서치(Clean Power Research)는 PV의 높은 보급률과 관련된 문제들에 대응하기 위해 정보를 얻는 새로운 접근법을 개발했다. 그 해결책은 바로 솔라애니웨어 플리트뷰로, 이 솔루션은 배분된 PV가 그리드 운영에 미치는 영향을 알기 위해 특허 받은 분석 방법과 함께 위성에서 얻은 방사조도 데이터를 이용한다. 탁월한 소프트웨어 솔루션인 솔라애니웨어 플리트뷰는 세부적인 PV 성능 데이터를 생산하기 위해 위성에서 오는 방사조도 데이터를 이용하며, 지상의 센서와 통신 네트워크가 필요 없다.
또한, 이 데이터를 이용해 PV 변동성을 수치화함으로써 그리드 운영자들은 계획 연구를 실시하고 개별적인 PV 시스템의 설계 특성과 위치에 근거해 PV 시스템의 전력 출력을 예측할 수 있다. 이 솔루션은 PV 발전소 상관계수를 계산하고 통제지역에서 유용한 방식으로 지역의 분산 효과를 수치화하기 위해 발전된 알고리즘을 사용한다.
이 솔루션의 특징은 PV 시스템의 성능을 열거, 분류, 모형화, 시뮬레이션하는 능력을 갖고 있다는 것이다. 여기에는 PV 전기 출력 예상치를 제공하는 것도 포함된다. 이 소프트웨어 도구를 통해 공익사업체 관리자들은 거시적인 차원에서 혹은 미시적인 수준에서 PV 시스템의 영향을 파악할 수 있으며, 전체 서비스 영역에서 단일한 피더로, 혹은 수천 개의 피더에서 몇 개의 시스템으로 실제 시스템을 파악할 수 있다. 그 결과, 공익사업체와 ISO는 사실상 PV 시스템에 최적화된 계획 연구를 실시하며 분배된 생산 전력의 이용 가능성을 계산하고 다른 요인들을 모두 산정한다. 이 모든 것이 전통적인 계획 연구와 관련된 비용과 시간의 일부분만 사용해도 가능해진다.
계획 연구를 할 수 있을 뿐만 아니라, 솔라애니웨어 플리트뷰 덕분에 공익사업체와 ISO는 저렴한 비용으로 PV 시스템 변동성 시간을 몇 분에서 며칠 단위로 예측할 수 있다. 이 정보는 높은 변동성이 예상되는 상황에서 규정된 예비 전력량의 계획과 일정 관리에 사용된다. 정확한 필요 조정량을 알게 됨으로써 지나치게 많은 그리드 설치나 자원 낭비를 피할 수 있다.
단기 변동성 예측을 위한 고해상도 데이터
그리드에 연결된 태양광의 단기간 요율 측정은 상호 연결된 PV 시스템 전반에 대한 효과를 파악하는 데 매우 중요하다. 이 필요성을 충족하기 위해 클린 파워 리서치에서는 1km 공간 해상도와 1분 시간 해상도에서 솔라애니웨어 고해상도 방사조도 데이터를 도입했다. 이 위성에서 송출되는 데이터 덕분에 솔라애니웨어 플리트뷰는 여러 지역이나 피더 라인에서 단일 시스템까지 다양한 범위의 환경에서 일어나는 변동성을 정확하게 측정한다.
솔라애니웨어는 미국, 멕시코, 카리브해 지역, 캐나다에서 다운로드가 가능한 위성 송출 태양광 방사조도 데이터의 주요한 원천이다. 올버니 대학(SUNY) 리차드 레체즈 박사의 연구실에서는 솔라애니웨어를 위한 모형과 연구 혁신 제품들을 제공한다. 이 모형과 혁신적인 연구 성과물들은 전국 태양광 자원 데이터베이스(NSRDB)의 ‘SUNY 그리드 데이터’에 포함된 것으로, 페레즈 박사의 중요한 연구 성과물이다.
솔라애니웨어 데이터는 다양한 계획, 운영상의 필요성에 따라 세 가지의 해상도로 이용해 볼 수 있다. 고해상도 데이터는 솔라애니웨어 표준 해상도(10km, 1시간)와 첨단 해상도(1km, 3분)를 생성하는 동일한 위성 이미지 처리 알고리즘에서 비롯된다. 그러나 고해상도 데이터는 분 단위 태양광 방사조도 예상치를 산출하기 위해 시간 제약을 받는 추가적인 계산법을 사용한다. 시간 제약을 받는 해상도의 증가는 그림 1에 설명돼 있다. 이것은 솔라애니웨어 첨단 해상도 대 솔라애니웨어 고해상도에서 미국 캘리포니아 샌프란시스코에서 찍은 단일한 1km 타일로 대비가 돼 있다.
실시간 데이터와 그 기록뿐만 아니라, 솔라애니웨어 고해상도 데이터는 일정 관리 목적으로 1주일간 미리 예측하기 위해 이용할 수도 있다. 예측 데이터는 2개의 독특한 예측방법을 결합해 만들어진다. 5시간~7일까지 예측 자료를 위해 전미 디지털 예측 데이터베이스가 방사조도 추출을 위해 사용된다. 1분~5시간까지 단기 예측 자료를 위해 구름 방향 벡터 모형이 적용되며, 고해상도 데이터 기록에 사용되는 것과 유사한 데이터 삽입법을 통해 방사조도를 투사하는 방식이다.
PV 시스템 변동성의 수치화
PV 시스템 변동성을 수치화하고 평가하는 표준화된 접근법이 필요했기에 클린파워리서치는 PV 시스템과 상관성이 없는 배분된 플리트의 전반적인 시스템에 대한 효과를 정확하게 예측하는 방법을 개발해 특허를 받았다. 그리드에 연결된 PV의 대형 플리트에 대처하는 이전의 방법은 번거로운 계산법인 데다, 실시간 운영에서 실행 가능하지 않은 방법이었기 때문에 발생하는 플리트의 변화에 따라 지속적으로 업데이트를 할 필요가 있다. 따라서 시스템의 전력 출력 변동성을 신속히 모형화하는 능력이 중요하다. 왜냐하면 그리드 운영자들은 배분된 자원이 변하는 까닭에 실시간으로 전력을 균형 있게 공급하고자 하기 때문이다.
지역적으로 분산된 PV의 장점과 정확성 입증
캘리포니아 ISO와 협력해 실시한 최근 한 연구는 지상에서 측정된 방사조도 조건을 예측하는 솔라애니웨어 플리트뷰의 성능을 시험하는 것이다. 연구 결과에 의하면, 위성을 통한 방사조도 방법의 성능은 관리해야 하는 센서가 필요 없고 솔라애니웨어 고해상도 데이터는 고보급율 PV 연구를 실행하기 위해 필요한 기초 자료를 제공하는 데 적합했다. 여기서 주목해야할 것은 이 연구가 잘 관리되는 지상형 센서조차도 위성 데이터보다 훨씬 더 많은 불필요한 데이터 포인트(측정점)을 생산한다고 강조했다는 사실이다(100 대 1의 수준). 그리고 위성 데이터는 이러한 오류의 데이터 포인트 탐지에 아주 중요하다.
또한, 이 연구는 PV 플리트의 지역적 배분이 많으면 많을수록 플리트 기반의 변동성은 더 적다는 이전의 연구를 입증했다. 이에 못지않게 중요한 두 번째 연구 결과는 지역적 분산이 예측 오류를 줄여준다는 것이다. 이 내용은 그림 2의 비교에서 설명돼 있다. 그림 2는 개별적인 4개 장소의 평균 MAE를 제시한 것이다. 그림 3은 네 개의 모든 지역에서의 방사조도를 통합한 것으로, 이것은 장소 결합 때문에 분명한 오류 감소가 있음을 보여준다.
이러한 연구 결과는 지역 통합적인 태양광 자원 예측이 단일 지역의 예측보다 훨씬 더 정확하다는 최근의 연구 관찰과 일치한다. 이것이 공익사업체와 ISO에게 중요한 이유는 신뢰할 만한 그리드 운영에 있어 지역적으로 분산된 PV의 가치가 얼마나 중요한지 입증하기 때문이다.
고보급률 PV의 힘
PV 용량이 점차 증대되면 변화하는 공익사업 그리드를 계획 및 운영하는 새로운 방법을 도입할 필요가 있다. 변동성이 불가피한 이유는 간헐적으로 구름이 PV 시스템을 덮어버리기 때문이다. 그러나 비용 대비 효과적이고 확장 가능한 소프트웨어 솔루션 덕분에 공익사업체와 ISO는 대규모 투자나 고비용의 계획 연구 없이도 현재 상태에서 변동성 효과를 수치화할 수 있게 됐다. 새로운 계획 및 운영 도구로 인해 공익사업체와 ISO는 배분된 PV를 효과적이고 신뢰할 만한 수준으로 통합할 수 있게 됐다. 또한 PV 보급률을 높임으로써 공익사업체와 전력 이용자들, PV 시스템 소유주들에게는 그만큼 비용 절약의 효과도 주게 됐다.
본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.
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