[투데이에너지 송명규 기자] 중국의 태양광기업들이 디지털 신기술을 활용해 태양광발전소 성능을 향상시켜나가고 있다.
중국 Huaneng Company와 화웨이가 지난 2016년부터 업계 최초로 둥팡태양광발전소 디지털화를 공동으로 추진한 가운데 에너지생산량이 사상최고 수준으로 향상되는 등의 성과를 이어가고 있는 것으로 알려졌다.
이번 프로젝트는 그리드연결 발전을 목적으로 시작됐는데 PV Top Runner 프로그램과 화웨이 스마트 PV 솔루션에 명시된 280Wp 단결정 PV 모듈을 채택했다. 이번 프로젝트는 PV 발전소의 디지털화와 지능화 현상을 촉발시켰다.
이번 프로젝트를 통해 Huaneng Hainan Clean Energy의 발전소가 지능형 역량을 갖춘 후 에너지수율과 O&M 지표가 사상 최고 수준으로 향상된 것으로 나타났다.
2017년 사용시간 목표를 1,319시간으로 설정했는데 실제 총 사용 시간은 무려 1,483시간을 기록했다. 이는 예상보다 12.43% 더 높은 수치다. 같은 해 온그리드 에너지는 예상 에너지생산량 1,598만kWh보다 19.77% 더 높은 1,914만kWh를 기록했다. 연평균 성능비는 84.58%를 기록했다.
2018년 온그리드 에너지는 1,905만kWh를 돌파했고 사용시간은 1,476.7시간, 성능비 84.43%를 기록했으며 2019년에는 약 2,056만kWh로 증가했고 사용 시간은 1,594.07시간, 성능비는 업계 최고 수준인 85.3%를 기록했다.
중국의 ‘국가평가와 핵심통계지표’에 따르면 Huaneng Hainan Power Inc.의 둥팡발전소는 2017년과 2018년 2년 연속으로 5A급 태양광발전소로 인정받았다. 둥팡발전소의 연평균 성능비는 84.43%를 기록했고 고장률은 3년 동안 거의 제로에 가까웠다. 뿐만 아니라 연간 에너지 수율은 예상 수치를 약 20% 상회했다.
2019년에는 핵심적인 혁신을 단행한 결과 Huaneng 둥팡발전소의 연간 일사량은 502 x 104 kJ/m²~586 x 104 kJ/m² 범위로 한 해 발전량은 2,056만kWh를 달성했다. 사용시간은 사상 최대인 1,594시간을 기록했다.
Huaneng 둥팡발전소의 에너지생산율이 계속 증가하는 이유로 7가지 핵심기술이 주목받고 있다. 우선 높은 에너지생산율을 보장하는 다중 MPPTs다. PV 모듈 불일치는 보통 아침과 저물녘 PV 모듈 감쇠, 방향 및 그늘로 인해 발생한다.
실제로 하이난에서는 구름과 새의 오물로 인한 그늘, 폭우 다음날 모듈에 생긴 물때 등 여러가지 요인으로 인해 PV 모듈 불일치가 발생하기도 했는데 이들 요인은 모두 에너지생산율을 크게 떨어뜨린다.
둥팡발전소 프로젝트는 이 문제를 해결하고자 화웨이 스마트 스트링 인버터를 사용했다. 이번 해결책에서는 2개의 스트링을 단일 MPPT 회로에 연결하고 각 MW를 80MPPT로 설정한다. 중앙 인버터와 비교했을 때 화웨이 기술은 PV 스트링 불일치를 최소한으로 줄이고 시스템 효율성을 크게 높인다.
또한 발전 시간을 늘리는 광범위한 작동전압 범위기술도 적용됐다. PV 스트링 MPPT는 광범위한 작동전압 범위를 특징으로 하며 이는 다시 태양광 인버터의 작동시간을 늘리고 발전시간을 확대하며 발전소의 전반적인 효율성을 높이는 데 일조하는 것으로 나타났다.
화웨이 스마트 스트링 인버터는 양극성 위상을 이용하기 때문에 각 PV 모듈의 출력 전압이 DC 전압 촉진 회로를 통과하게 된다. DC 입력 전압이 낮을 경우 전압을 높이면 버스 콘덴서 요건을 충족시킬 수 있다. 따라서 MPPT 동작 전압의 범위는 200~1,000V가 될 수 있다.
그에 반해 중앙 인버터는 단극성 위상을 사용하기 때문에 MPPT 동작 전압 범위가 520~1,000V에 불과하다. 이에 따라 화웨이 스마트 스트링 인버터는 더욱 오랜 시간 작동하고 더 많은 전력을 생산할 수 있는 것으로 알려졌다.
또한 이번 태양광프로젝트 기술 중 주목할만한 점은 퓨즈가 없는 것이다. 화웨이는 이를 취약부품이 없어 고장이 적다보니 유지보수 관리 필요성을 절감하게 된다고 설명했다.
단순성은 스마트 PV 설계에서 중요한 원칙이다. 단순한 네트워킹 설계는 시스템 전반에 걸쳐 고장점과 고장 가능성을 줄인다. Huaneng 둥팡발전소는 3년 6개월 동안 운영되고 있으며 높은 염무 수치를 특징으로 하는 더운 고온 환경에서도 제로(0)에 가까운 고장률을 유지했다. TUV가 진행한 현장 테스트에 따르면 화웨이 스트링 인버터의 가용성은 99.996%에 달하는 것으로 증명됐다.
화웨이 태양광 인버터는 출시 전에 다양한 시나리오에 대비해서 GCTC(Global Compliance and Testing Center)가 진행한 1,400건의 테스트를 통과해야 했다. 해당 테스트는 염무와 부식성 습식 먼지부터 번개와 고위도 환경까지 다양한 시나리오에서 60°C~100°C의 온도 조건에서 진행됐다. 이와 같은 테스트를 통해 다양한 악조건에서 안정적인 동작을 보장할 수 있었다. 태양광발전소가 장기간 신뢰도를 유지하도록 보장하는 단순한 설계가 효과를 본 것이다.
또한 Anti-PID 기술로 태양광손실을 방지하고 안전성을 확보했다. Huaneng 둥팡발전소는 해안에서 겨우 220m 떨어져 있어 태양광모듈은 계속해서 고온 및 다습한 환경에서 작동한다. 이런 환경에서는 발전 효율 저하(potential induced degradation: PID)가 더 자주 일어난다.
이 문제를 해결하고자 화웨이는 Anti-PID 모듈을 통신 상자에 넣었다. Anti-PID 모듈은 태양광 인버터 전압을 기반삼아 자동으로 출력 전압을 조정하고 PV와 지상간에 전압 균형을 맞추기 위해 상(phase) 전선과 AC 가상 중립점의 지상 전선 사이에 전압을 주입한다. 이런 방식으로 PID의 영향을 방지할 수 있다.
더 중요한 점은 화웨이의 최신 PID 억제 기술이 태양광 인버터 회로를 통해 가상 중립점을 구축하고자 독자적인 기술을 사용하는 것이다. 중립점을 구축하기 위해 저항기나 유도기를 사용하는 전통적인 솔루션과 비교했을 때 화웨이 PID 억제 기술은 대대적인 업그레이드라 할 수 있으며 보상 손실을 줄이고 보상 과정을 더욱 안전하게 만든 상황이다. 그 결과 에너지 수율이 2% 이상 증가하고 5MW 이상인 더 큰 배열을 지원할 수 있다.
이번 둥팡발전소는 RS485와 광섬유 대신 PLC와 무선 4G를 사용함으로써 비용을 절감했다. 통신 전송을 위해 RS485 대신 PLC를 사용하며 통신케이블 설치와 구축에 들어가는 투자를 줄인다. 뿐만 아니라 광섬유 대신 무선 4G 전용망을 사용한다.
이 기술을 적용함으로써 설치와 의뢰를 불과 2주만에 완료할 수 있으며 도랑을 파거나 광케이블을 묻을 필요도 없다. 단일 PV 발전소는 지상에서 최대 10km²를 커버할 수 있어 신속한 배치와 모바일 O&M을 지원한다. 둥팡발전소는 공공망 신호가 약한 오지에 위치하지만 무선 전용망 신호가 강하기 때문에 신뢰도 높은 현장통신을 이용할 수 있다. O&M 직원은 무선 단말기를 이용해 중앙관제실과 화상 통화를 할 수 있다.
또한 결함 탐지에 대한 이산율 분석을 진행했다. 이산율 분석은 O&M 효율성을 높이는 강력한 도구다. 이 프로젝트에서는 고장이 발생한 PV 스트링을 정확하게 감지하고자 이산율 분석을 했으며 이를 통해 O&M 직원의 현장 검사를 촉진했다. 이 분석을 통해 직원들은 제때 저효율성 PV 스트링을 수리하고 발전소의 모든 PV 스트링에서 장기간 고장이 발생하지 않도록 할 수 있다.
지금까지 이번 기술을 채택한 프로젝트는 20GW를 돌파했으며 현장 고장을 해결하는 데 이산율을 적용함으로써 둥팡 PV 발전소의 안정적인 작동을 보장한 것으로 알려졌다.
특히 원격 제어로 고장 원인을 파악하는 Smart I-V Curve Diagnosis는 Huaneng 둥팡발전소에서 매우 효과적인 솔루션으로 입증됐다. PV 스트링이 1,920개나 되는 12.9MW 둥팡 PV 발전소에서 PV 스트링 고장(핫스팟, 금 및 다이오드 합선 등)을 스캐닝하는 데 4분밖에 걸리지 않는다. 따라서 정밀한 현장 문제 해결이 가능하다.
고장 감지는 온라인으로 실시간 확인이 가능하며 고장 감지 시 자동으로 감지 보고서가 작성된다. 예전에는 수개월이 걸렸던 O&M이 이제 수분만에 완료되는 것이다.
2019년 Smart I-V Curve Diagnosis는 버전 3.0으로 업그레이드됐다. 신규 버전을 이용하면 100MW PV 발전소에서 모든 PV 스트링을 단 15분만에 감지할 수 있다. 뿐만 아니라 AI와 머신 러닝 기술도 통합돼 Smart I-V Curve Diagnosis 체험을 포함하고 고장이 발생한 모델을 최적화할 수 있다.
지금까지 화웨이 Smart I-V Curve Diagnosis는 5GW가 넘는 발전소에 적용됐고 성능을 인정받은 상황이다. 화웨이는 또한 높은 정밀도를 바탕으로 진단 정확성을 제공하는 유일한 TUV 인증 공급업체로 부각되고 있다.
Huaneng은 이 프로젝트가 완료된 후에도 총 규모가 1GW가 넘는 여러 스마트 PV 프로젝트에서 화웨이와 계속 협력했으며 이들 프로젝트 중 80% 이상에 FusionSolar Management System을 설치했다.
한편 Huaneng Group과 화웨이는 지난해 8월8일 전략적 협력 계약을 체결해 태양광발전소에서 AI 기술의 추가적인 통합을 도모하고 그리드패리티 시대를 맞아 벤치마크 태양광발전소 건설을 위한 추가적인 기술 발전을 촉진하는 장기적인 파트너십을 구축해나갈 방침이다.