전력시스템 신뢰도 향상을 위한 시계열 기반의 확률론적 풍력발전 예측모형 개발 = Development of Probabilistic Wind Power Forecasting based on Time series for Enhancing Power System Reliability

국문 초록 (Abstract)

풍력과 태양광을 포함한 신재생에너지는 향후 전력계통의 주요 전원으로 각광 받으며 급격히 성장하고 있다. 국내에서도 재생에너지 3020 정책에 따라 대규모 신재생에너지의 전력계통 연계가 계획되고 있다. 제8차 전력수급기본계획에 따르면, 2031년 발전량 비중 20%를 태양광 및 풍력 등 재생에너지로 공급하기 위해 약 58.5GW의 대규모 신재생 발전설비를 수용할 것으로 계획되어 있다. 이와 같은 변동성전원의 확대는 기존의 전력공급에 대한 불확실성 확대로 이어질 수 있기 때문에 전력계통의 신뢰도 유지 및 향상을 위해서는 풍력, 태양광 등 변동성전원에 대한 고도화된 출력 예측 기술이 필요하다.
본 논문에서는 신재생에너지 연계 전력계통의 신뢰도 향상을 위한 방안 중 하나로 시계열 기반의 확률론적 풍력발전 예측모형 개발에 대해 기술하였다. 확률론적 예측모형에는 다양한 모델이 존재하지만, 본 연구에서는 풍력의 시계열 특성과 공간적 특성을 모두 고려한 앙상블(ensemble) 기법을 개발하였다. 앙상블 기법은 3개의 예측 모델이 포함된 시계열 앙상블과 2개의 예측 모델이 포함된 공간 앙상블로 구성되어 있다.
공간 앙상블은 풍력발전단지 지점에 대한 풍속 예측 향상을 목적으로 크리깅 기법과 Deacon 방정식이 적용된다. 기존의 풍속 예측은 수치예보모델을 통해 도출되는 값을 그대로 이용하거나, 일부 보정하여 적용하는 경우가 일반적이다. 다만, 이 방법은 수치예보모델의 격자 간격 한계로 인해 지점에 대한 정확한 예측이 어렵다는 단점이 존재한다. 따라서 본 연구에서는 인근의 지점별 풍속 예측데이터, 지리 정보를 기반으로 풍력발전단지와의 공간적 상관성을 분석하여 풍력발전단지에 대한 포인트 예측(point forecasting)을 수행하는 크리깅 기법을 적용하였다. 또한 Deacon 방정식을 통해 발전단지에 설치된 풍력터빈 높이의 풍속으로 보정함으로써 실측값에 가까운 최적의 풍속을 예측하고자 하였다.
3개의 통계 기반의 예측모델로 구성된 시계열 앙상블은 다중자귀회귀모형인 ARIMAX, 다중회귀모형, 통계 기반 확률론적 예측 모델인 Analog Ensemble 기법이 포함된다. 통계 기반의 예측 모델은 수학적 관계식을 통해 입력과 출력의 결과가 결정되기 때문에, 단일 모델을 통해 예측을 수행할 경우 모델 특성에 따라 결과가 편향되어 나타날 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2개의 결정론적 예측 모델(ARIMAX, 다중회귀모델)에서 도출한 결과를, Analog Ensemble 모델을 통해 다시 재정리하고 보정하여 하나의 결정론적 값을 도출하고, 추가적으로 확률론적 예측 값도 도출할 수 있는 방법론을 수립하였다.
본 연구에서는 개발한 모형에 대해 기 운영 중인 제주도 풍력발전단지에 적용하여 하루 전 풍력발전예측을 수행함으로써 예측모델에 대한 평가를 수행하였다. 제주도는 국내에서 풍력발전단지가 가장 많이 설치된 지역이며, 전력 수요 대비 풍력발전량 비율이 높아 풍력발전예측 모형을 평가하기 가장 적합한 지역이다. 연구에서는 2016년 2월과 5월에 대해 하루 단위 예측을 수행하였으며, 수행결과 단일 예측모델 대비 앙상블 예측 모델이 더 나은 예측 성능이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 예측된 값을 제주 전력계통에 적용하여 해당 일자의 풍력발전량 변동이 전력계통 영향에 미치는 영향을 분석하였다. 제주계통의 경우 2016년 부하수준 대비 전력계통의 송전 여유 량이 크기 때문에 본 연구에서는 N-1 상정고장 시 전력계통 영향을 살펴보았다. 분석 결과, 피크부하 시간 뿐 아니라 중간 부하시점에 대해서도 풍력발전량 변동에 따라 송전선로 제약이 발생할 수 있음을 확인하였으며, 사전에 전력계통 운영자가 이를 확인하고 사전에 대응할 경우 전력계통의 신뢰도를 유지 및 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
국내 대규모 신재생에너지의 전력계통 연계가 예상됨에 따라 안정적이고 경제적인 전력계통 운영을 위해서는 신재생에너지 출력에 대한 예측 기술을 기반으로 하는 운영 계획이 반드시 필요할 것으로 사료된다. 본 논문에서 제안하는 풍력발전 앙상블 예측 기법이 국내 전력계통의 신뢰도 향상에 조금이나마 기여할 수 있기를 기대한다.

주제어: 풍력발전 예측, 전력계통, 신재생에너지

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.2. 연구개요 2
• 1.3. 논문의 구성 4
• 2. 풍력발전 예측 기법 현황 5
• 2.1. 풍력발전 예측의 분류 및 활용 5
• 2.2. 해외 풍력발전 예측 기술 적용 현황 11
• 3. 확률론적 풍력발전 예측을 위한 앙상블 예측 기법 22
• 3.1. 기존의 풍력발전 예측 기법: 파워커브 모델 22
• 3.2. 시계열 기반의 앙상블 예측 기법 26
• 3.3. 시계열 앙상블 멤버: ARIMAX 모델 30
• 3.4. 시계열 앙상블 멤버: 다중회귀 개선 모델 40
• 3.5. 시계열 앙상블 멤버: AnEn 모델 42
• 3.6. 공간 앙상블의 활용 46
• 4. 사례연구: 제주 전력계통 신뢰도 향상을 위한 풍력발전단지 출력예측 50
• 4.1. 제주 풍력발전단지 출력 특성 분석 51
• 4.2. 제주 풍력발전단지의 확률론적 출력 예측 모의 59
• 4.3. 확률론적 출력 예측 값을 활용한 제주계통 영향 분석 77
• 5. 결론 84
• 참고문헌 86
• ABSTRACT 88