[화웨이 제공] 중국 화능(Huaneng)과 화웨이(Huawei)는 3년 전부터 공동으로 동방태양광발전소 디지털화를 추진해왔다. 동방태양광발전소는 디지털화가 진행된 최초의 태양광 프로젝트인 만큼, 지난 3년에 대한 유지보수 성과를 살펴볼 만한 가치가 있다.

화능 동방태양광발전소에는 280Wp 단결정 모듈과 화웨이 스마트 태양광 솔루션을 적용했으며 2016년 6월 30일 계통연계가 완료됐다. 이 프로젝트는 태양광발전소의 디지털화와 스마트화의 시작이라고 할 수 있다. 화능 하이난 클린에너지(Huaneng Hainan Clean Energy)가 발전소 관리를 스마트화된 방법으로 진행함에 따라 O&M의 성과가 좋은 결과로 기록됐다.

디지털화가 진행된 최초의 태양광 프로젝트인 동방태양광발전소 전경 [사진=화웨이]

실제 발전량 설계 예상 값보다 20% 정도 높게 측정

첫 해인 2017년, 예상 가동시간은 1,319시간으로 예측했는데, 실제 총 사용시간은 무려 1,483시간을 기록했다. 이는 예상보다 12.43% 더 높은 발전 시간을 기록한 결과다. 첫 해의 발전량은 1,914만kWh를 기록했다. 이는 실제 설계한 발전량인 1,598만kWh보다 19.77%를 초과한 결과였으며, 연 평균 발전 성능 PR(Performance Ratio)값은 84.58%를 나타냈다.

국가 평가와 통계 지표에 따르면 화능 하이난 파워(Huaneng Hainan Power)의 동방태양광발전소는 2017년과 2018년 2년 연속으로 5A급 태양광발전소로 인정받았다. 동방태양광발전소의 연평균 PR은 84.43% 이상으로 유지되고 있으며, 지난 3년 동안 현장에서 발생하는 고장은 거의 없었다.

그 뿐만 아니라 실제 연간 발전량은 설계 예측 값보다 약 20% 높게 측정됐다. 특히, 2019년 총 발전량은 2,056.347만kWh였고, 이를 가동시간으로 환산했을 때 1,594.07시간을 기록했다. 이에 따른 발전 성능 PR는 85.3%로 나타났다. 이를 통해 연간 발전량과 연간 가동 시간은 첫 해인 2017년 대비 많이 올랐다는 것을 알 수 있다. 

높은 발전량을 기록할 수 있게 만드는 7가지 기술

화능 동방태양광발전소의 발전량이 계속 증가할 수 있는 이유는 7가지 핵심 기술이 적용돼 있기 때문이다. 

1. 보다 높은 발전량을 보장하는 멀티 MPPT

태양광 모듈의 설치 방향과 그늘 등의 요소로 인해 미스매치가 발생할 수 있다. 특히, 하이난에서는 구름과 새의 분변으로 인한 그늘, 그리고 폭우 다음 날 태양광 모듈에 생긴 물 때 등으로 인해 미스매치가 쉽게 발생할 수 있다. 이는 발전량에도 큰 영향을 미칠 수 있다.

화웨이 스마트 스트링 인버터는 2개 스트링이 하나의 MPPT에 연결되며, 이는 MW당 총 80개의 MPPT가 운영될 수 있다는 것을 의미한다. 센트럴 인버터를 사용한 시스템과 비교했을 때 MPPT 수가 많은 화웨이 인버터 시스템은 스트링 간의 미스매치를 감소시키고 이를 통해 시스템의 효율성을 크게 높일 수 있다.

화웨이 스마트 스트링 인버터는 MPPT의 넓은 동작 전압 범위를 갖는다. [자료=화웨이]

2. 보다 긴 발전 시간을 보장하는 넓은 동작 전압 범위

화웨이 스마트 스트링 인버터는 MPPT의 넓은 동작 전압 범위를 특징으로 인버터의 동작 시간을 늘리고, 이를 통해 전체 발전 시간을 연장하며 발전소의 전반적인 효율성을 높이는 데 일조한다.

화웨이 스마트 스트링 인버터는 내부에 각 MPPT 별로 DC/DC 컨버터를 갖고 있다. 이는 태양광 모듈의 출력 전압이 BOOST 직류 승압 회로를 통과하며, 발전에 적합한 MPP 범위까지 끌어올려짐을 뜻한다. 따라서 MPPT 동작 전압 범위가 200V~1,000V로 폭넓게 구성될 수 있다. 반면, 센트럴 인버터는 단극성 토폴로지를 사용으로 인해 제품의 동작 전압 범위가 520V~1,000V로 좁게 형성된다. 이에 따라 화웨이 스마트 스트링 인버터는 더욱 오랜 시간 동작하고 더 많은 전력을 생산할 수 있다.

3. 퓨즈 및 LCD 등 소모품 설치의 최소화 통한 O&M 편의성

발전소 내에 많은 퓨즈 사용은 높은 고장을 초래할 수 있고 실외의 극한이나 고온 고습 환경은 LCD에 많은 영향을 끼치게 된다. 업계 통계 데이터에 따르면 LCD 수명은 5~7년 정도만 유지되며 20년 안전성과 신뢰성을 보장하기 어렵다.

이러한 문제점들은 모두 유지보수 비용에 반영된다. O&M의 간편함은 화웨이 태양광 솔루션의 중요한 원칙이다. 화능 동방태양광발전소는 현재까지 3년 6개월 동안 운영되고 있으며 고온, 더위, 고염무의 환경에서 거의 0에 가까운 고장률을 유지하고 있다.

TUV가 진행한 현장 테스트에 따르면, 화웨이 스트링 인버터의 가동률은 99.996%에 달하는 것으로 증명됐다. 화웨이 태양광 인버터는 출시 전에 다양한 상황과 환경에 대비해 GCTC(Global Compliance and Testing Center)에서 진행되는 1,400건의 테스트를 통과해야 한다. 이러한 테스트는 염무부식(염해), 낙뢰, 높은 해발과 극한 환경까지 다양한 시나리오에서 진행하며, 이를 통해 어떠한 악조건에서도 안정적인 동작이 가능하다는 점을 보장한다.

화능 동방태양광발전소는 RS485 대신 PLC를 사용하며 통신선 구축에 들어가는 투자비용을 줄일 수 있다. [사진=화웨이]

4. Anti-PID기술: 발전량 손실 방지와 안전성 확보

화능 동방태양광발전소는 해안에서 불과 220m만 떨어져 있어, 태양광 모듈이 지속적으로 고온 및 다습한 환경에서 노출돼 있기에 PID(발전효율저하: Potential Induced Degradation) 현상에 좀 더 취약하며, 이는 해당 현상이 더 빈번하게 발생할 수 있음을 의미한다.

이 문제를 해결하기 위해 통신함에 Anti-PID 모듈을 설치해 인버터 전압을 기반으로 자동으로 AC 출력 전압을 조정하고, AC 가상 중성점(N)을 PE 사이에 전압을 추가해 PV-측의 전압을 없애 PID 현상을 억제한다.

즉, 화웨이의 특허가 적용된 최신 Anti-PID 기술을 통해 태양광 인버터 회로를 통해 가상 중립점을 구축하며 Anti-PID 기능을 구현한다. 이는 일반적으로 캐패시터를 통해 중성점을 구축하는 방법보다 발전량을 2% 이상 높일 수 있고 5MW 이상의 보다 큰 어레이에서도 지원이 가능하다.

5. RS485와 광통신 대신 PLC와 무선 4G 사용해 비용 절감

화능 동방태양광발전소는 RS485 대신 PLC(Power Line Communication)를 사용하며 통신선 구축에 들어가는 투자비용을 줄일 수 있다. 그뿐만 아니라 광통신 대신 무선 4G 전용망을 구축해 2주 만에 설치 완료할 수 있었다.

이는 평지에서 최대 10㎡를 커버할 수 있어 신속한 배치가 가능하며 모바일 O&M도 함께 지원할 수 있다. 동방태양광발전소는 공중망 신호가 약한 오지에 위치하지만 무선 전용망 신호가 강하기 때문에 현장 통신이 원활하게 이뤄진다. O&M 인원은 무선 단말기를 이용해 관제실과 화상 통화를 할 수 있으며 이는 좀 더 편리한 O&M이 진행될 수 있도록 해준다.

스마트 I-V 커브 진단은 화능 동방태양광발전소에서 매우 효과적인 솔루션으로 입증됐다. [자료=화웨이]

6. 정확한 결함 탐지 위한 이산율 분석

이산율 분석은 O&M의 효율성을 높이는 중요한 부분이다. 이 프로젝트에서는 이산율 분석을 통해 보다 더 정확하게 고장이 발생한 스트링을 찾아 수리하고 발전소 내의 모든 스트링을 결함 없는 상태로 정상적인 동작을 위한 유지보수를 진행했다. 지금까지 이 기술을 채택한 프로젝트의 용량은 총 20GW를 돌파했다. 현장 고장을 해결하는 데 이산율을 적용함으로 동방태양광발전소 역시 안정적으로 동작하고 있다.

7. 스마트 I-V 커브 진단 기능으로 원격 고장 원인 파악

스마트 I-V 커브 진단은 화능 동방태양광발전소에서 매우 효과적인 솔루션으로 입증됐다. 12.9MW의 동방태양광발전소는 총 스트링이 1,920개로 구성돼 있으며, 모든 스트링을 스캔하는 데 걸리는 시간은 단4분이 소요된다. 이를 통해 스트링 고장(셀 핫스팟 발생, 표면 유리 깨짐 및 다이오드 고장 등)을 정확하게 진단할 수 있다. 진단은 원격, 온라인으로 이뤄지며 진단 후에는 자동으로 진단 보고서가 작성된다. 예전에는 수개월이 걸렸던 O&M이 이제는 단 몇 분이면 완료될 수 있다.

2019년엔 스마트 I-V 커브 진단 기능이 3.0으로 업데이트 됐고, 이제는 100MW 사이트의 경우 단 15분 만에 모든 스트링에 대한 진단을 완료할 수 있다. 그리고 한층 더 높은 AI 기술을 적용해 I-V 커브 진단 기능에 대한 경험과 고장에 관한 내용을 계속 보완해 나가고 있다. 현재까지 화웨이 스마트 I-V 진단 기능에 대한 적용 사례는 5,000MW를 넘어서며 국내외 고객들로부터 폭넓은 인정을 받고 있다. 화웨이는 해당 기능과 관련해 TUV에 정확도와 정밀도를 인증 받은 유일한 업체다.

화능 하이난 파워는 발전소에 대한 스마트 O&M을 실시해 항상 최적의 운영을 하고 있으며 이를 토대로 현재도 높은 발전량을 유지하고 있다. 태양광 디지털화를 시작한 화능 동방태양광발전소를 비롯해 화웨이는 현재 스마트 태양광 사업에서의 협력 프로젝트가 50개가 넘어서고 있다. 용량으로 보면 총 1GW가 넘는 프로젝트가 진행되고 있다.

이 중 80% 이상의 발전소에 스마트 모니터링 관리 시스템을 적용했다. 중국 화능은 지난해 8월 8일, 화웨이와 전략적 제휴를 체결하고 장기적인 파트너십을 구축해 5G, AI 등의 기술과 발전소의 추가적인 통합을 추진하고 보다 높은 가치 창출하려고 노력하고 있다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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