태양광 발전(이하, PV)을 중심으로 하는 재생가능 에너지의 도입이 급속히 진행된 결과, 잉여 전력의 발생이나 주파수 조정력의 부족, 계통 혼잡 등의 여러 가지 전력계통의 과제가 표면화되고 있다. 또한 각 플레이어(발전사업자, 송배전사업자, 소매전기사업자, 수요가)는 임밸런스(imbalance) 회피나 재생가능 에너지 전원의 출력 제어, 에너지 매니지먼트의 고도화 등 사업상의 여러 가지 과제에 직면하고 있다.

 

한편, 세계 각국에서는 IoT 기술의 발전에 의해 전력계통에 점재하는 축전지·EV(Electric Vehicle) 등의 분산형 에너지 리소스(DER)의 활용이나 수요 측을 조정하는 디맨드 리스폰스(DR)나 가상 전력 플랜트(VPP)의 비즈니스가 보급되고 있다.

 

이 글에서는 VPP 비즈니스에 필요한 애그리게이션 플랫폼과 함께 VPP를 활용한 실증사업 및 실제 시장 참여의 대응에 대해 소개한다.

 

 

VPP 사업에 필요한 애그리게이션 플랫폼

 

일본에 있어 VPP는 AC(Aggregation Coordinator), RA(Resource Aggregator), 리소스의 3층 구조에 의해 표현되고 있다. RA는 개별 리소스를 집약 제어하는 것, AC는 각 RA의 리소스를 조합하는 동시에 RA가 시장에 참여하기 위한 업무 지원을 하는 것으로 많은 DER의 활용을 목표로 하고 있다(그림 1). 그러나 RA가 전력시장마다의 접속 기능이나 계약․평가․정산 기능 등을 각각 구축 혹은 도입하게 되기 때문에 DER를 집약하는 RA에 있어서는 사업 코스트 상의 과제가 있다.

 

 

또한 송배전사업자는 DER를 수급 조정력 및 계통 안정화에 활용하기 위해서는 계통에 연계하는 DER의 제어를 가능하게 하는 것이 중요하다. DER의 집약 제어의 구조를 플랫폼으로서 널리 제공하면, 보다 많은 DER가 모든 플레이어에 활용되어 전력 시스템의 전체 최적이 실현된다.

 

이상으로부터 도쿄전력홀딩스주식회사(이하, 도쿄전력HD)에서는 송배전사업자 및 애그리게이터의 요구를 매칭해, 쌍방의 과제를 해결하는 ‘애그리게이션 플랫폼’이 필요해짐에 따라 구축에 대응하고 있다(그림 2). 플랫폼에 대해서는 시스템 면의 확충․고도화뿐만이 아니라, RA 지원(컨설팅)․업무 대행 등 서비스 확충에도 대응하고 있다. 플랫폼 제공에 의해 재생가능 에너지나 DER의 도입을 촉진함으로써 효율적인 전력 시스템 형성을 위한 공헌을 한다.

 

 

애그리게이션 플랫폼 실현 대응…VPP 실증사업․V2G 실증사업․DER 활용 실증사업

 

2016년도부터 5개년 계획으로 실시된 ‘수요가 측 에너지 리소스를 활용한 가상 전력 플랜트 구축 실증사업’(이하 VPP 실증사업), 2018년부터 3개년 계획으로 실시된 ‘EV 애그리게이션에 의한 V2G(Vehicle-to-Grid) 비즈니스 실증사업’(이하 V2G 실증사업. EV 등을 축전지로 전력계통에 접속해 활용하는 실증사업) 및 2021년도부터 실시되고 있는 ‘분산형 에너지 리소스의 활용을 위한 실증사업’(이하, DER 활용 실증사업)에 참가해 도쿄전력HD는 애그리게이션 플랫폼에 의한 VPP 비즈니스화에 대응해 왔다.

 

1. VPP 실증사업·DER 활용 실증사업

도쿄전력HD를 AC로 하는 도쿄전력 컨소시엄(이하, 도쿄전력 컨소시엄)을 조성해 2016년도부터 5개년 계획으로 실시된 VPP 실증사업 및 2021년도부터 실시되고 있는 DER 활용 실증사업에 참가해 전력시장(수급 조정시장, 전원 I′/용량 시장) 참여를 내다본 DER의 제어(TSO의 지령값을 만족하도록 DER의 출력을 조정)의 실증과 DER량 확대․보급 촉진을 도모하고 있다. 실증사업에서는 축전지나 히트펌프 등의 전력 저장 디바이스뿐만이 아니라, 조명·공조 등의 부하기기를 리소스로 해서 여러 종류의 다양한 DER를 이용하고 제어 기술의 고도화, 그 응답 속도나 대응 가능 시간의 차이 등으로부터 효과적으로 조합해 큰 전력을 얻는, 이른바 VPP의 가능성에 대응했다.

 

도쿄전력 컨소시엄에서는 2017년도까지 AC 시스템의 개발·실장과 기본적인 실증시험을 실시하고, 2018년도부터는 VPP 비즈니스의 실현과 확대에 이바지하는 실증시험에 매년도(최대 30사) 대응하고 있다. 실증사업의 구체적인 성과로는 DER를 애그리게이트하는 VPP에 의해 2020년도부터 전원 I′ 조정력(폭염이나 혹한에 대응하기 위한 조정력) 공모 참여 및 2021년도에 개설된 수급 조정시장·3차 조정력②(주파수 제어․수급 밸런스 조정을 하기 위해 필요한 조정력(∆kW)을 거래하는 시장)의 사전 사에 합격해 개설 초기(2021년도 5월)부터 참여한 실제 시장 참가의 실현이다.

 

실증사업에 대해서는 실제 시장 참여를 완수한 후에도 참여 DER 및 RA의 개척·확대를 위해 지속적으로 대응하고 있으며, DER 활용 실증사업의 최종연도인 2023년도에 대해서는 2024년도부터 개설되는 1차 조정력, 2차 조정력① ② 참여를 내다보고 13사에서 대응했다. 또한 수급 조정시장은 총 5개의 메뉴가 있는데, 지령값까지의 응동 시간(출력 변화)이 빠르고 지속 시간이 짧은 순서대로 1차 조정력, 2차 조정력①, 2차 조정력②(2024.4 개설), 3차 조정력①(2022.4 개설), 3차 조정력②(2021.4 개설)로 되어 있다.

 

최근 2022년도 실증사업에서는 실증 참여 RA 각사로부터 합계 5MW 이상의 리소스를 모았다. 이들 리소스는 산업용 축전지(4.0MW 정도)를 주로 하며, 가정용 축전지, EV, 공조 등이 된다. 주로는 2024년도에 개설되는 수급 조정시장의 상품 메뉴(1차 조정력, 2차 조정력① ②)를 모방한 실증을 실시했다.

 

1차 조정력 상당(응동 시간 : 10초 이내, 지령값 변경 간격 0.5초)의 기술 실증에서는 3시간(6컷) 중 처음 2시간 반을 평상시(1～5컷), 마지막 30분을 이상시(6컷)로 하는 시나리오로 실증했다. 결과는 평상시(자율식 제어)에 대해서는 실제 시장에서 요구되는 요건을 대체로 달성하고, 이상시(AC 지령)에 대해서는 지령을 수동으로 내고 있기 때문에 지연이 발생해 일부 불합격이 된 RA도 존재했지만, ±10% 체재율 평가(제어 지령값에 대한 실제 제어량이 ±10% 이내에 들어가는 시간 비율의 평가)에서 최량값으로 100%의 체재율을 기록했다. 산업용 축전지에 의한 기기 개별 계측의 제어 결과 예를 나타냈다(그림 3). 평상시(1～5컷)에서는 출력 변화량의 근사선과 조정률의 기울기가 같은 방향인 것, 이상시(6컷)에는 출력 변화량이 낙찰 용량 ∆kW90% 값보다 큰 것을 확인했다.

 

 

2차 조정력① 상당(응동 시간 : 5분 이내, 지령값 변경 간격 : 0.5초)의 기술 실증에서는 산업용 축전지 등을 리소스로 해서 현재의 제어 정도나 과제를 검증했다. 수전점 계측을 실시해 30분 컷에서 최고 체재율은 약 85%가 됐다. 실제 시장에서 요구되는 요건(체재율 90% 이상)을 충족시키기 위해서는 리소스의 용량 부족이나 제어 불량 등의 과제가 남은 상태였다(그림 4).

 

 

2차 조정력② 상당(응동 시간 : 5분 이내, 지령값 변경 간격 : 1분)의 기술 실증에서는 가정용 축전지나 그 외 리소스를 이용해 현재의 제어 정도나 과제를 검증했다. 수전점 계측을 실시해 30분 컷에서 최고 체재율은 약 47%가 됐다. 기준값 책정이나 반응 시간의 과제에 의해 30분 컷에서 체재율이 0%가 되는 실증 횟수도 존재했다(그림 5).

 

 

2. V2G 실증사업

2018년부터 시작한 V2G 실증사업에서 EV/PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle: 하이브리드카에 외부 충전 기능을 더한 자동차)를 DER로서 활용한 리소스 애그리게이션 비즈니스의 실현을 목표로, 도쿄전력 컨소시엄 체제(AC-RA 체제)에서 검토․실증했다. 시장 요구를 바탕으로 비즈니스 검토를 실시하고, V2G 리소스의 활용처와 검증 항목을 설정해 2018년도 17대, 2019년도 59대, 2020년도 63대의 EV/PHEV를 이용해 실증을 했다(그림 6).

 

 

(1) 2018년도 V2G 실증사업

2018년도의 실증사업 성과로는 V2G 기기(EV 파워 스테이션. 이하, EVPS)의 동작 검증과 계통 측이 요구하는 제어 요건에 대한 적합을 확인할 수 있었다. 구체적으로는 AC의 제어 지령에 따라 몇 초 정도로 EVPS가 동작하고, 1분마다 SOC 정보를 취득할 수 있다는 것을 확인했다. 또한 다른 SOC․차종의 EV/PHEV를 동시 제어하는 것을 확인할 수 있었다.

 

‘배전 혼잡 완화’, ‘전압 상승 억제’에 대해서 실증사업을 통해 정리했다. 일부, 10%를 넘는 차이가 보였지만, 대체로 지령에 따른 제어를 실시할 수 있었다.

 

(2) 2019년도 V2G 실증사업

2019년도에는 복수의 실증 사이트를 온라인으로 접속해, 동시 제어를 목표로 했다. 또한 EV/PHEV의 모빌리티 기능과 V2G 기능을 양립시키는 실용적인 구조를 만들어 실증시험을 실시했다. 구체적으로는 전력계통 측의 ‘EV 애그리게이션 요구’와 차량 이용자의 ‘EV/PHEV 이용 예정/이용 상황’(모빌리티 요구)의 양쪽 모두를 고려해, 복수의 EVPS(V2G 유닛)나 EV/PHEV에 대해서 최적의 제어 지령을 분배하는 시스템을 구축했다. 또한 EV/PHEV의 계획 외 이용이 발생한 경우에 나머지의 리소스(EV/PHEV)로 제어 지령값 달성을 커버할 수 있는 제어 기능을 구비했다(그림 7).

 

 

실증 메뉴는 실제 활용을 예상해 조정력 제공(모의) 메뉴에 더해, 계통 안정화(혼잡 완화 등)를 위한 메뉴의 시험(PV 발전량이 예측을 웃돌아 EV/PHEV에 의해 역조류를 흡수)을 실시했다.

 

복수 사이트의 동시 제어에 대해서는 제어 응답 속도의 계측을 실시해 소정의 속도(5분 이내)에서 동기 제어가 가능하다는 것을 확인했다.

 

또한 지령에 대한 응동률(±10% 이내의 체재율)도 전체 실증을 통해 84.4%로 대략 지령값에 따라 응동하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 응동률 저하 요인은 모빌리티 요구를 우선했기 때문에 예정 외의 EV/PHEV 이용에 의한 이탈에 동반되는 것으로, EV/PHEV 이탈의 보완을 각 사이트마다 실시하고 있었기 때문에 사이트 규모가 작은 곳에서는 흡수가 어려운 케이스가 있었다. 이 과제를 해결하기 위해서는 사이트 간에 제어량 융통의 구조 구축이 필요하다는 것을 알았다.

 

(3) 2020년도 V2G 실증사업

2020년도에는 2019년도의 과제로부터 새롭게 ‘사이트 간 융통’ 기능을 도입했다. 이것은 VPP 시스템의 요구에 대해 실제 EV/PHEV의 입출력이 부족할 때에 사이트 간에 걸쳐 융통하는 기능이다.

 

실증 메뉴는 EV/PHEV에 의한 충전 기능의 활용으로서 혼잡 완화(재생가능 에너지의 출력 억제 회피) 실증, 방전 기능의 활용으로서 수급 조정시장의 3차 조정력②을 예상해 실제 AC 지령(VPP 실증사업의 AC 활용)으로 실증을 했다.

 

혼잡 완화 실증에서는 사이트 간 융통의 실장에 의해 10～14시의 지령값에 높은 정도로 추종 제어가 가능해졌다(그림 8).

 

 

한편, 이탈 대수가 일정 이상을 넘으면 사이트 간 융통으로는 보충할 수 없어 괴리가 발생한다. 또한 응동 실적에 큰 영향은 없지만, 사이트 간 융통이나 충전하는 EV의 전환 타이밍에 순간적인(수분 레벨의) 변동이 발생했다(그림 9).

 

 

수급 조정시장(3차 조정력②) 실증에서는 실제 입찰 컷 12:00～15:00의 출력 요구에 대해 실증 기간 중에 코로나19가 유행해 EV/PHEV가 출사 정지의 영향으로 접속 대수(통근 차량 외)가 계획값보다 대폭으로 적어졌기 때문에 출력 미달이 발생, 더욱이 SOC 저하에 의해 제어 정도가 저하됐다(그림 10).

 

 

또한 복수의 다른 메이커(A, B, C사)의 EVPS를 도입해 VPP 시스템으로서 동시에 제어할 수 있는지의 여부도 검증했다. 검증 시험의 결과, 모든 메이커의 EVPS가 문제 없이 지령에 추종하는 것을 확인할 수 있었다(사진 1).

 

 

2020년도는 ‘사이트간 융통’ 기능을 도입함으로써 도입 전(예상값)과 비교해 응동률이 향상되는 것으로 확인했다. 한편, 코로나19의 영향으로 리소스량의 예측이 빗나가 2019년도의 ‘84.4%’에 대해 2020년도 ‘72.2%’로 전체적인 응동률은 저하 경향이었다.

 

COVID-19의 영향 등 돌발적 요인에 대응할 수 있도록 여유 있는 충방전 제어의 계획을 책정하거나, EV/PHEV 이외의 리소스와 제휴하는 것이 중요하다고 생각된다.

 

이상 3년간의 V2G 실증사업으로 계획값(차량의 운행 예정(정차 대수․SOC 등)에서 계획한 충방전 가능한 전력량)의 정도 향상 등 운용 면의 과제는 있지만, 예상한 기술적 과제(AC에 의한 EV/PHEV의 제어 등 기본적인 기술 과제로부터 시작해 다른 메이커의 EVPS에 의한 제어, 복수 사이트 간 융통 등 응용적인 기술 과제까지)는 해결할 수 있었다. 현재는 실증으로 얻은 V2G 기술을 활용한 실제 비즈니스화(비즈니스 모델 구축·수익화)에 대응하고 있다.

 

애그리게이션 플랫폼의 사회 실장…실제 시장 참여의 대응·과제

 

애그리게이션 플랫폼의 사회 실장을 목적으로 실제 시장(2020년도부터 전원 I′ 조정력 공모, 2021년도 5월부터 수급 조정시장(3차 조정력②))에 산업용 축전지, 발전기, EV 외 DER를 애그리게이트해 참여하고 있다. 특히, 수급 조정시장(3차 조정력②)에 대해서는 실제 시장 참여 시의 제어량 평가 간격은 30분 값(평균값)이지만, 사전심사 시에는 5분 값(평균값)으로 제어의 난이도가 높아 참여는 어렵지만, 실증사업에서 기른 VPP 기술을 활용해 도쿄전력 컨소시엄의 유지 RA와 사전심사에 합격해 첫년도부터 참여하는 성과를 얻을 수 있었다. 참여 3년째가 되는 2023년도 4～6월에는 성공 컷률 93.9％를 달성했다.

 

실제 시장에 VPP로 참여함으로써 시장 노하우를 획득․축적하고 있으며, 과제도 몇 가지 표면화하고 있다. VPP의 사회 활용에 필요한 모네티이즈(monetize) 대해서는 일정 규모·양 이상의 DER가 필요하기 때문에 현재 참여하고 있는 DER량보다 확대가 필요하지만, 수요가 리스트․패턴(거래에 이용하는 입찰 단위를 말하며, 패턴 번호, 공출 가능량(DER 합산값), DER 정보 등을 기재한 리스트)의 상한이 과제로 되어 있다.

 

애그리게이션으로 이용할 수 있는 수요가 리스트․패턴은 시장이 개설되어 있는 3차 조정력① ②에서는 20패턴이 상한으로 되어 있어 현재의 규모에서도 패턴 선정(DER 편성)이나 구분은 곤란하다. 앞으로 DER의 증가를 내다보면 패턴 수의 상한수 확대가 우선 필요하지만, 또한 장래의 DER 증가를 내다보면 DER 단위의 등록·확인이 곤란해질 것으로 예상된다. 따라서 종래의 DER 단위의 등록․관리뿐만이 아니라, RA 단위 등의 집단(일정 정도의 VPP 단위) 등록․관리로 전환하는 것도 검토가 요망된다.

 

또한 상각 연수가 긴 화력 발전 등은 저가격으로 입찰할 수 있는 한편, DER는 소프트웨어 상각 연수가 짧아 입찰 가격이 고가가 될 가능성이 있어 입찰을 해도 낙찰되지 않을 가능성이 높은 과제가 있다. 또한 미래적으로 화력 전원의 비율이 저하하는 것을 고려하면, DER에 의한 조정력의 공출을 증가시켜 갈 필요성이 있다. 따라서 DER 전용 틀을 마련하는 것도 생각할 수 있다.

 

맺음말

 

애그리게이션 플랫폼의 사회 실장 실현을 위해 기술 면․비즈니스 면의 검토․대응을 확대해 간다. 실제 시장 참여에 있어서는 전원 I′ 조정력 공모의 후계가 되는 용량시장(발동 지령 전원) 참여나 3차 조정력② 참여의 계속 및 3차 조정력①, 2024년도에 개설되는 1차 조정력, 2차 조정력① ②에 참여를 계획해 간다. 또한 새롭게 도매 전력시장(JEPX)에 2023년도에 참가했다.

 

또한 시장 참여 이외에 대해서도, 탈탄소 선행 지역 만들기 사업 등을 시작으로 하는 마을 만들기 사업, 계통용 축전지 사업 및 재생가능 에너지 애그리게이션 사업 등의 다양한 사업에 멀티로 대응해 VPP 비즈니스 기회의 가능성이나 모네티이즈로 연결해 VPP 비즈니스에 대해 리드해 간다.