보조 서비스

**보조 서비스**()는 상호 연결된 송전 계통의 신뢰할 수 있는 운영을 유지하기 위한 제어 영역 및 송전 유틸리티의 의무를 고려할 때, 발전기에서 소비자에게 전력을 전송하는 데 필요한 서비스를 의미한다.

"보조 서비스는 송전 또는 배전 계통 운영자가 송배전 계통의 무결성과 안정성뿐만 아니라 전력 품질을 유지할 수 있도록 하는 데 필요한 모든 서비스이다."

보조 서비스는 전력 계통 내의 행위자들이 전기 에너지에 대한 수요를 실시간으로 충족시키기 위해 전기의 연속적인 흐름을 촉진하고 지원하는 전문적인 서비스 및 기능이다. 보조 서비스라는 용어는 계통 안정성과 보안을 유지하는 데 필요한 발전 및 송전 이외의 다양한 운영을 지칭하는 데 사용된다. 이러한 서비스에는 일반적으로 다양한 시간 척도에서의 유효 전력 제어 또는 주파수 제어, 그리고 무효 전력 제어 또는 전압 제어가 포함된다. 전통적으로 보조 서비스는 동기 발전기와 같은 대형 생산 장치에 의해 제공되어 왔다. 더 많은 변동성 발전의 통합과 스마트 그리드 기술의 발전에 따라, 보조 서비스의 제공은 더 작은 분산 발전 및 소비 장치로 확장되고 있다.

## 보조 서비스의 종류
보조 서비스에는 크게 두 가지 범주가 있다:
* 주파수 관련: 관성, 주파수 유지 예비력(FCR)과 같은 1차 주파수 제어, 주파수 복구 예비력(FRR)과 같은 2차 주파수 제어
* 비주파수 관련: 무효 전력 및 전압 제어 및 혼잡 관리

기타 유형의 보조 서비스 제공에는 다음이 포함된다:
* 계통 재시작
* 일정 계획 및 급전
* 손실 보상
* 부하 추종
* 계통 보호
* 에너지 불균형

### 주파수 제어
전기 주파수는 유효 전력의 소비와 발전 사이의 균형( \Delta P = P_{generation} - P_{consume} ) 및 동기 전력 시스템의 총 회전 에너지( W_{tot,kin} )와 직접적으로 연결된다.
 \Delta P 의 갑작스러운 변화가 발생하는 동안 주파수는 초기에(어떠한 구제 조치가 취해지기 전에) 다음 방정식에 따라 변화한다:

\frac{df}{dt} = \frac{\Delta P \cdot f}{2 \cdot W_{kin}}

이 방정식은 정규화된 관성 상수  H 를 사용하여 다시 쓸 수 있다:

\frac{df}{dt} = \frac{\Delta P \cdot f}{2 \cdot H \cdot S}

여기서  S 는 전체 그리드의 총 유효 전력 교환량이고  H 는 시스템의 정규화된 관성 상수이다.
총 회전 운동 에너지가 적은 시스템은 주파수의 미분값이 더 크게 영향을 받기 때문에  \Delta P 의 편차에 더 민감하게 반응한다.

재생 가능 발전원의 통합 증가로 인해 동기 그리드의 총 관성이 감소함에 따라, 컨버터 기반 발전 유닛이 그리드 주파수를 더 빠르고 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 방법론과 요구 사항이 더욱 중요해지고 있다.

주파수 제어는 계통 주파수가 정격 주파수의 특정 범위 내에 유지되도록 보장해야 할 필요성을 의미한다. 전력 생산과 수요 사이의 불일치는 주파수 변동을 일으키므로, 주파수를 정격 값으로 되돌리고 범위를 벗어나지 않도록 보장하기 위해 제어 서비스가 필요하다.

수직축이 주파수이고 수평축이 전력인 발전기 그래프가 있다면 다음과 같다:

 slope = -R = \frac{\Delta f}{\Delta P_{m}} 

여기서 Pm은 시스템의 전력 변화이다. 여러 개의 발전기가 있는 경우 각 발전기는 고유한 R을 가질 수 있다. 베타는 다음과 같이 구할 수 있다:

 \beta = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... + \frac{1}{R_n} 

전력 변화에 따른 주파수 변화는 다음과 같이 구할 수 있다:

 \Delta f = \frac{\Delta P_{m}}{\beta} 

이 간단한 방정식을 재배열하여 주어진 주파수 변화에 해당하는 전력 변화를 찾을 수 있다.

### 무효 전력 및 전압 제어

소비자 부하는 특정 범위 내의 전압을 기대하며, 규제 당국은 전압이 정격 전압의 특정 백분율(예를 들어, 미국의 경우 ±5%) 이내일 것을 요구한다.

무효 전력은 전압 강하를 보상하는 데 사용될 수 있지만, 유효 전력보다 부하에 더 가깝게 제공되어야 한다(무효 전력은 계통을 통해 멀리 이동하기 어려운 경향이 있기 때문이다). 전압은 변압기 탭 및 전압 조정기를 사용해서도 제어될 수 있음에 유의하라.

### 일정 계획 및 급전
대부분의 전기 시스템에서 에너지 저장은 거의 제로에 가깝기 때문에, 어느 순간이든 시스템으로 들어오는 전력(발전기에서 생산된 것)은 시스템에서 나가는 전력(소비자의 수요)과 같아야 하므로 일정 계획과 급전이 필요하다. 생산이 수요와 매우 밀접하게 일치해야 하므로 신중한 일정 계획과 급전이 필수적이다.

대개 독립 계통 운영자 또는 송전 계통 운영자에 의해 수행되며, 두 서비스 모두 전력망의 신뢰성을 유지하기 위해 발전 및 송전 유닛의 투입과 조정을 전담한다.

일정 계획(Scheduling)은 사전 조치(예: 다음 주에 특정 양의 전력을 생산하도록 발전기 일정을 잡는 것)를 의미하는 반면, 급전(Dispatch)은 가용 자원의 실시간 제어를 의미한다.

### 운용 예비력
생산과 수요가 완벽하게 일치해야 하므로(참조: 일정 계획 및 급전), 운용 예비력은 생산이 너무 낮을 때 그 차이를 보충하는 데 도움이 된다.

운용 예비력은 부하를 충족시키기에 충분한 에너지 발전이 이루어지도록 신속하게 투입될 수 있는 발전기이다. 회전 예비력은 이미 가동 중이며 수요의 빠른 변화에 맞춰 전력 출력을 급격히 늘릴 수 있는 발전기이다. 수요는 짧은 시간 내에 변할 수 있고 신속한 대응이 필요하기 때문에 회전 예비력이 요구된다. 다른 운용 예비력으로는 운영자가 수요를 충족시키기 위해 투입할 수 있지만 회전 예비력만큼 빠르게 대응할 수 없는 발전기, 그리고 일반적으로 회전 예비력보다 더 빠른 수십 밀리초 이내에 대응할 수 있는 계통 배터리 저장 장치 등이 있다.

## 재생 에너지 발전
재생 에너지 발전의 계통 통합은 추가적인 보조 서비스를 동시에 필요로 하며, 동시에 계통에 보조 서비스를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 분산 발전 시스템 및 지붕형 태양광 시스템과 함께 설치되는 인버터는 전통적으로 회전 발전기와 전압 조정기에 의해 제공되던 많은 보조 서비스를 제공할 수 있는 잠재력이 있다. 이러한 서비스에는 무효 전력 보상, 전압 조절, 플리커 제어, 유효 전력 필터링 및 고조파 제거 등이 포함된다. 가변 속도 발전기를 갖춘 풍력 터빈은 그리드에 가상 관성을 추가하고 주파수 제어를 도울 잠재력이 있다. CAISO는 2018년에 131 MW 규모의 툴레(Tule) 풍력 발전 단지의 싱크로버터(synchronverter)를 테스트했으며, 이것이 전통적인 발전기와 유사하거나 더 나은 일부 계통 서비스를 수행할 수 있음을 발견했다. 하이드로 퀘벡은 2005년에 최초의 계통 운영자로서 가상 관성을 요구하기 시작했으며, 전력 전자 장치를 풍력 터빈 로터의 관성 모멘트와 결합하여 주파수 하락에 대응할 때 일시적인 6% 전력 증강을 요구했다. 유사한 요구 사항이 2016년에 유럽에서 발효되었다.

## 전기 자동차
플러그인 전기자동차는 계통에 보조 서비스, 특히 부하 조절 및 회전 예비력을 제공하는 데 활용될 잠재력이 있다. 플러그인 전기자동차는 분산 에너지 저장 장치처럼 작동할 수 있으며 V2G(vehicle-to-grid)라고 불리는 양방향 흐름을 통해 전력을 계통으로 다시 방전할 잠재력을 가진다. 플러그인 전기자동차는 빠른 속도로 전력을 공급할 수 있는 능력이 있어 회전 예비력처럼 사용될 수 있으며, 풍력 및 태양광과 같은 변동성 발전의 사용 증가에 따른 계통 안정성을 제공할 수 있다. 인용된 연구에 따르면, 차량군에서 얻은 V2G 에너지 판매와 운용 예비력 보조 서비스 제공의 수익성을 비교했을 때, 운용 예비력 조절 서비스를 제공하는 것이 V2G 에너지만 판매하는 것보다 더 수익성이 높다. 그러나 전기 자동차를 활용하여 보조 서비스를 제공하는 기술은 아직 널리 시행되지 않았지만, 그 잠재력에 대한 기대가 크다.

## 같이 보기
* 내셔널 그리드 예비 서비스
* 가용성 기반 요금제
* 부하 추종 발전소
* 가상 발전소

## 각주

## 원문 자료
* U.S. Federal Energy Regulatory Commission 1995, Promoting Wholesale Competition Through Open Access Non-discriminatory Transmission Services by Public Utilities, Docket RM95-8-000, Washington, DC, March 29.
* E. Hirst and B. Kirby, “Ancillary Services,” Oak Ridge National Laboratory, Technical Report ORNL/CON 310, February 1996. https://web.archive.org/web/20150225160053/http://web.ornl.gov/~webworks/cpr/rpt/84170.pdf
*Operations, Power Exchange. "Guide to Ancillary Services in the National Electricity Market." (2010).
* ARENAWIRE, “What is Frequency Control Ancillary Services?” February 1996. https://arena.gov.au/blog/what-is-frequency-control-ancillary-services/
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