분산형 태양광과 배터리 저장이 전송 회피에 미치는 영향 분석

본 논문은 분산형 재생에너지, 특히 태양광(PV)과 배터리 저장 시스템이 전력 전송망 사용을 얼마나 감소시킬 수 있는지를 정량적으로 평가한다. 저자들은 “전송 회피(avoided transmission)”라는 개념을 도입하고, 이를 측정하기 위한 새로운 시각화 도구인 MPI‑MPE 다이어그램을 제안한다. MPI는 연간 최대 전력 수입, MPE는 연간 최대 전력 수출을 의미하며, 두 지표를 기준(로컬 발전이 없을 때)과 비교함으로써 전송망에 가해지는 피크 부하가 얼마나 감소했는지를 한눈에 파악할 수 있다. 연구 방법은 크게 두 단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 PV만 설치한 경우이며, 여기서는 부하와 PV 발전을 시간별로 차감해 순부하(net load)를 구한다. 순부하는 양(잔여 부하, RL)과 음(잉여 발전, SG)으로 나뉘며, 각각 연간 최대값을 MRL, MSG라 정의한다. MRL은 MPI와 동일하고, MSG는 MPE와 동일하게 해석된다. 두 번째 단계는 배터리를 추가한 경우이다. 배터리 용량은 PV 용량당 1.5–4.5 kWh/kW로 설정하고, 다목적 선형계획(MOLP) 모델을 통해 연간 최대 전력 교환(Pmax)을 최소화한다. 목표함수는 전력 교환 최소화에 높은 가중치를 부여하면서 동시에 배터리의 동시 충·방전 방지를 목표로 한다. 제약조건에는 배터리 상태‑전하(Sₜ) 범위(0.1–0.9 C), 충전 전력 제한 없음, 에너지 손실 무시 등이 포함된다. 최적화는 Matlab의 linprog 함수를 이용해 1분 내외의 계산 시간으로 수행된다. 두 개의 모델 커뮤니티는 독일 에르딩과 일본 시코쿠에 위치한다. 두 지역 모두 피크 부하 36.22 MW를 공유하지만, 부하 프로파일과 일조량 특성이 크게 다르다. 에르딩은 겨울에 부하가 집중되고, PV 발전은 계절에 따라 크게 변동한다. 반면 시코쿠는 연중 일조량이 고르게 분포해 PV 발전이 비교적 일정하다. 부하 데이터는 현지 DSO에서 15 분(에르딩)·1 시간(시코쿠) 해상도로 확보했으며, PV 발전은 TRNSYS‑type194 모델을 사용해 시뮬레이션했다. 결과는 다음과 같다. 1. **PV‑only 경우** - 에르딩에서는 MSG(최대 잉여 발전)가 MRL(최대 잔여 부하)보다 커서 전력 수출이 증가하고, MPI는 기준보다 감소하지 않아 전송 회피가 불가능했다. 이는 겨울 피크 부하 시점에 PV 발전이 거의 없기 때문이다. - 시코쿠에서는 PV 용량을 약 169 % (피크 부하 대비)로 설정했을 때 MSG가 MRL보다 작아 MPI와 MPE가 모두 기준선 이하로 떨어졌다. 따라서 전송 회피가 실현된다. 이는 일조량이 연중 고르게 분포하고, 피크 부하와 PV 발전이 시간적으로 겹치는 비율이 높기 때문이다. 2. **PV + 배터리 경우** - 배터리 용량을 1.5–4.5 kWh/kW로 확대하면 두 지역 모두 MPI와 MPE가 동시에 감소한다. 특히 대용량 PV(>300 % 피크 부하)에서도 전송 회피가 유지된다. 배터리는 잉여 발전을 저장해 피크 부하 시점에 방전함으로써 MRL을 낮추고, 동시에 피크 수출을 억제해 MPE를 감소시킨다. - 최적화 결과, 배터리의 충·방전 전력 비율은 0.15–0.17 kW/kWh 수준으로, 현재 상용 배터리(0.2–1.5 kW/kWh)와 비교해도 충분히 현실적이다. 핵심 인사이트는 다음과 같다. (1) 전송 회피는 단순히 PV 용량만으로는 보장되지 않으며, 지역별 부하·일조 특성에 크게 좌우된다. (2) 배터리 저장은 시간적 변동성을 매칭시켜 MPI와 MPE를 동시에 낮출 수 있는 가장 효과적인 수단이다. (3) MPI‑MPE 다이어그램은 정책 입안자와 전력 사업자가 지역별 최적 PV·배터리 규모를 직관적으로 판단하는 데 유용한 도구가 된다. 논문의 한계점도 명시한다. 첫째, 완벽한 예측(Perfect Foresight) 가정으로 실제 기상·수요 불확실성을 반영하지 않았다. 둘째, 배터리 효율 손실과 수명 감소를 무시했기 때문에 회피 효과가 다소 과대평가될 가능성이 있다. 셋째, 전송망 전체의 비용 절감 효과를 직접 계산하지 않고 변압기 수준의 전력 교환만을 proxy로 사용했기 때문에, 전송망 확대·강화 비용과의 정량적 비교는 추가 연구가 필요하다. 결론적으로, 본 연구는 MPI‑MPE 다이어그램을 통해 PV와 배터리 시스템이 전송망 피크 부하를 어떻게 완화할 수 있는지를 체계적으로 보여준다. 특히 배터리 저장을 결합하면 지역 특성에 관계없이 전송 회피가 가능함을 입증했으며, 이는 향후 분산형 재생에너지 확대 정책 및 전력망 설계에 중요한 시사점을 제공한다.