KR100487102B1 - 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의부하추종장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택에서 연료를 공급받아서 전기ㆍ화학적 원리에 의해 연료전지 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 직류전력을 발전하고, 연료전지 스택에 의해 발전된 직류전력을 연계계통에 연계시키도록 인버터 제어기에서 출력되는 제어신호에 의해 계통연계형 인버터에서 교류전력으로 변환시키고, 제1 전류 감지기에 의해 연계 계통에 흐르는 전류를 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하고, 제2 전류 감지기에 의해 계통연계형 인버터에서 출력되는 출력전류를 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하고, 전압 감지기에 의해 부하에 걸리는 전압을 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하도록 구성되어 있다.
이러한 구성에 의해 본 발명은 연료전지 제어기로 부터 입력된 전류 제한치 내에서 인버터의 출력 전류가 부하 용량과 일치하도록 제어할 수 있고, 현재의 부하 용량을 계산하여 연료 전지 제어기에 출력하여 잉여 전력에 의한 역조류를 방지할 수 있음과 동시에, 부하 용량이 빈번하게 변동하거나 고조파 성분의 왜란 변동에 강인한 특성을 가진다.
Description
본 발명은 연료발전 시스템에서 연료를 공급받아서 전기화학적 원리에 의해 직류전력을 발전하여 계통연계형 인버터의 부하 추종에 따라 부하에 전력을 공급하는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치에 관한 것이다.
이와 같은 종류의 종래의 부하추종장치를 장착한 계통연계형 발전시스템은 한국 공개특허공보의 공개번호 특1999-0058513호(공개일;1999년 7월 15일)에 개시되어 있다.
상기 한국 공개특허공보의 공개번호 특1999-0058513호에 개시되어 있는 계통연계형 발전시스템은 태양광 발전 시스템을 일 실시예로 설명하고 있으며 그 구성은 도1 및 도 2에 도시한 바와 같이 통상적으로 전력회사에서 설치해 놓은 계통전력(50)에 연계되어 수광된 태양광선에 상응하는 소정의 직류전력을 공급하는 태양전지 모듈(10)과, 상기 태양전지 모듈(10)에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 계통연계형 인버터(20)와, 상기 인버터(20)에서 변환된 전력을 소비하는 부하(40)와, 계통연계형 인버터(20)가 계통과 연계되는 곳에서 부하(40)쪽에 설치되어 부하(40)에 흐르는 전류를 측정하여 측정치를 인버터(20)로 보내는 역할을 하는 전류 감지기(30;CT)로 구성되어 있다.
상기 계통연계(40)의 전력용량을 계산하고 이에 따라 운전전압을 제어하는 제어부분을 내장하고 있는 것은 물론이다.
이와 같이 구성된 태양광 발전시스템에서 인버터의 역조류 방지 방법을 도 2를 참조해서 설명하면, 단계S10에서 전류 감지기(30)가 측정한 전류에 부하전원의 전압을 곱하여 부하(40)의 현재 전력용량을 파악하고, 단계S20에서 상기 단계S10에서 파악한 부하전력용량이 태양광 발전시스템의 발전용량보다 큰지 여부를 판단하여 클 경우에는 단계S30에서 최대 출력점 추종 제어를 행하고 모자라는 부분은 계통전력으로부터 전력을 공급받는다.
만약 단계S20에서 부하전력용량이 태양광 발전시스템의 발전용량보다 적을 경우에는 잉여전력이 발생되어 계통전원(50)에 공급되는 역조류가 발생하므로, 단계S40에서 인버터(20)의 운전전압을 상승 또는 하강시켜 발전용량을 부하의 전력용량과 일치되도록 조정하여 잉여전력이 발생하지 않도록 한다.
그런데, 이와 같이 구성된 종래의 계통연계형 발전시스템의 역조류 방지방법은 인버터 출력 용량이 부하단에 흐르는 전류에 의해 직접 결정되므로, 전체 역조류 방지 제어기의 민감도를 증가시켜 시스템의 안정도를 크게 손상시킨다는 문제점이 있었다.
다시 말하면, 부하 용량이 빈번하게 변동하는 경우나 혹은 고조파 성분 등에 의해 인버터 전류 제어기의 허용 주파수 보다 높은 주파수 성분의 왜란이 인버터 전류 지령치에 포함되면 인버터는 전류 지령치에 추종할 수 없게 되어 그 에러치가 점차적으로 증가하여 결국에는 제어기가 발산하게 된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 감안해서 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 연료전지 제어기로부터 입력된 전류 제한치 내에서 인버터의 출력 전류가 부하단 용량과 일치하도록 제어할 수 있는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 현재 부하 용량을 계산하여 연료 전지 제어기에 출력하여 잉여 전력에 의한 역조류를 방지할 수 있는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 부하 용량이 빈번하게 변동하거나 고조파 성분의 왜란 변동에 강인한 특성을 가진 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료를 공급받아서 전기ㆍ화학적 원리에 의해 연료전지 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 직류전력을 발전하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 의해 발전된 직류전력을 연계계통에 연계시키도록 교류전력으로 변환시키는 계통연계형 인버터와, 계통연계형 인버터의 동작을 제어하는 인버터 제어기와, 상기 연계 계통과 부하 사이에 접속되어 상기 연계 계통에 흐르는 전류를 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하는 제1 전류 감지기와, 상기 계통연계형 인버터와 부하 사이에 접속되어 상기 계통연계형 인버터에서 출력되는 출력전류를 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하는 제2 전류 감지기와, 상기 부하에 걸리는 전압을 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하는 전압 감지기로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치는 연료를 공급받아서 전기ㆍ화학적 원리에 의해 연료전지 제어기(120)에서 출력되는 제어신호에 따라 직류전력을 발전하는 연료전지 스택(110)과, 상기 연료전지 스택(110)에 의해 발전된 직류전력을 연계계통(150)에 연계시키도록 교류전력으로 변환시키는 계통연계형 인버터(130)와, 계통연계형 인버터(130)의 동작을 제어하는 인버터 제어기(140)와, 상기 계통연계형 인버터(130)측에 접속되어 상기 계통연계형 인버터(130)에서 출력되는 출력전류를 측정하여 상기 인버터 제어기(140)에 출력하는 제1 전류 감지기(170)와, 상기 연계 계통(150)에 접속되어 상기 연계 계통(150)측에서 흘러나오는 전류를 측정하여 상기 인버터 제어기(140)에 출력하는 제2 전류 감지기(180)와, 상기 부하(160)에 걸리는 전압을 측정하여 상기 인버터 제어기(140)에 출력하는 전압 감지기(190)로 구성되어 있다.
상기 인버터 제어기(140)는 부하(160) 추종시 계통 전류가 0(zero)이 되도록 계통 전류 지령치 0과 상기 제2 전류감지기(180)에 의해 측정된 연계 계통(50)에 흐르는 전류값(Iac)과의 차(Iac,err)을 출력하는 제1 감산기(141)와, 상기 제1 감산기(141)의 출력값(Iac,err)으로부터 계통 전류가 0이 되도록 계통연계형 인버터(130)가 출력해야 하는 인버터 전류 지령치(Iinv
*)를 생성하는 제1 비례-적분 제어기(142)와, 상기 연료전지 스택(110)에 심각한 손상을 방지하도록 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에 의해 생성된 인버터 전류 지령치(Iinv
*)가 상기 연료전지 제어기(120)로부터 입력된 연료전지 발전 전류값(Ilimit) 보다 크면, 상기 인버터 전류 지령치(Iinv
*)를 연료전지 스택(110)에서 입력된 연료전지 발전 전류(Ilimit)이내로 제한하는 제1 제한기(143)와, 상기 제1 제한기(143)에 의해 제한되어 출력되는 출력 전류값(Iinv,lim
*)과 상기 제1 전류 감지기(170)에 의해 측정된 현재 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류값(Iinv)의 차를 출력하는 제2 감산기(144)와, 상기 제2 감산기의 (144)출력값(Iinv,err)으로부터 상기 계통연계형 인버터(130)가 출력해야 하는 인버터 출력 전압 지령치(Vinv
*)를 생성하는 제2 비례-적분 제어기(145)와, 미리 정해진 전압 제한치(Vlimit)에 의해 상기 제2 비례-적분 제어기(145)에서 출력되는 출력 전압값(Vinv
*)를 제한시켜 제한 전압값(Vinv,lim
*)을 출력하는 제2 제한기(146)와, 상기 제1 전류 감지기(170)에 의해 측정된 현재 상기 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류값(Iinv)과 상기 제2 전류감지기(180)에 의해 측정된 연계 계통(150)에 흐르는 전류값(Iac)을 받아 가산하여 부하 전류를 계산하는 가산기(147)와, 상기 전압 감지기(190)에 의해 측정된 상기 부하(160)에 걸리는 전압과 상기 가산기(147)에서 출력되는 전류를 곱하여 현재의 부하 용량(Pload)을 계산하여 상기 연료전지 제어기(120)로 출력하는 곱셈기(148)로 구성되어 있다.
상기 제1 및 제2 전류 감지기(170,180)는 변류기(CT;Current Transformer)를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 전압 감지기(190)는 계기용 변압기(PT;Potential Transformer)를 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 이와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치의 작용 및 효과에 대하여 설명한다.
연료발전 시스템에서 연료를 공급받아서 전기화학적 원리에 의해 직류전력을 발전하여 계통연계형 인버터의 부하 추종에 따라 부하에 전력을 공급하고 있는 중에 갑작스런 부하 증가에 의해 현재 상기 연계계통(150)의 출력 전류(Iac)가 부하 전류에 비해 작아지면, 상기 연계계통(150)의 출력 전류(Iac)와 부하 전류의 차이만큼 계통 전류가 흐르게 된다.
이러한 계통 전류의 흐름에 의해 상기 인버터 제어기(140)의 제1 감산기(141)의 출력값(Iac,err)은 양(+)의 값을 가지게 되고, 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에 의해 비례-적분하여 출력되는 출력 전류(Iinv
*)는 상기 제1 감산기(141)에서 출력되는 전류치(Iac,err)가 0이 될 때까지 계속적으로 증가한다.
현재의 상기 연료전지 스택(110)이 충분한 전력을 생산하고 있을 경우, 현재의 연료전지 스택(110)에서 연산하여 출력하는 연료전지 전류 제한값(Ilimit)이 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에서 출력되는 전류치(Iinv
*)보다 크게 되어 상기 제1 제한기(143)에서 출력되는 전류치(Iinv,lim
*)와 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에서 출력되는 전류치(Iinv
*)는 동일한 값을 나타내게 되고, 상기 제2 감산기(144)에서는 상기 제1 제한기(143)에서 출력되는 전류치(Iinv,lim
*)와 제1 전류 감지기(170)에 의해서 검출된 계통연계형 인버터(130)의 출력단에 흐르는 전류값(Iinv)을 받아서 감산하여 감산된 전류값(Iinv,err)을 상기 제2 비례-적분 제어기(145)에 출력한다.
상기 제1 제한기(143)에서 출력되는 전류치(Iinv,lim
*)와 제1 전류 감지기(170)에 의해서 검출된 계통연계형 인버터(130)의 출력단에 흐르는 전류값(Iinv)의 차이를 줄이기 위해 제2 비례-적분 제어기(145)와 제2 제한기(146)는 상기 연료전지 제어기(120)에 미리 설정된 전압 제한치(Vlimit;제어프로그램을 작성할 경우에 상기 연료전지 제어기(120)에 미리 설정된 값)내에서 상기 제2 제한기(146)의 출력 전압 지령치(Vinv,lim
*)를 제어하게 되어 결국 상기 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류는 부하 전류를 추종하게 된다.
상기 제1 제한기(143)에서 출력되는 제한치(Iinv,lim
*)는 현재의 연료전지 스택(110)에서 연산하여 출력하는 전류 제한값(Ilimit) 이내의 값임을 앞에서 설명한 바 있다. 만약, 부하 용량(Pload)이 급격하게 증가하면 상기 제1 비례-적분 제어기(142)는 그 출력(Iinv
*)을 증가시키나 연료전지의 발전 출력이 충분하지 못할 경우 상기 제1 제한기(143)에서 출력되는 전류값(Iinv,lim
*)는 상기 연료전지 제어기(120)에서 출력되는 전류 제한값(Ilimit)에 의해 계속적으로 한정되어지게 되므로, 본 고안의 연료전지 발전 시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치는 부하 추종에 실패하게 된다. 따라서 부하 용량(Pload)의 증감에 따라 연료전지 발전량도 이를 반영해야 한다.
상기 가산기(147)는 연계 계통(150)의 계통 전류(Iac)와 상기 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류(Iinv)를 상기 가산기(147)에서 가산하여 부하 전류를 계산하고, 상기 전압 감지기(190)에 의해 측정된 부하 전원 전압과 가산기(147)의 출력값을 곱셈기(148)에서 곱하여 현재의 부하 용량(Pload)을 계산하고, 이 부하 용량(Pload)을 상기 연료전지 제어기(120)로 출력함으로써 상기 연료전지 제어기(120)는 부하 용량의 증감에 따라 연료전지 스택(110)의 발전량을 제어한다.
본 발명의 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치는 상기 계통연계형 인버터(130)의 출력 용량을 제어하기 위하여 제1 제한기(143)에서 출력되는 인버터 전류 지령치(Iinv,lim
*)를 부하전류로부터 직접 계산하는 것이 아니라 상기 연계 계통(150)의 계통 전류(Iac)로부터 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에 의한 출력으로 대체하고 있으므로, 부하 용량(Pload)의 빈번한 변동이나 고조파 성분 등에 의한 고주파수 왜란이 포함된 제2 전류 감지기(180)에 의해 검출한 계통 전류(Iac)가 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에 입력된다 하더라도 제어기 이득을 적절히 조정함으로써 이러한 고주파수 성분의 왜란 성분이 상기 제1 제한기(143)에 흐르는 인버터 전류 지령치(Iinv,lim
*)에 끼치는 영향을 최소로 줄일 수 있다. 이는 일반적으로 상기 제1 비례-적분 제어기(142)의 전달함수가 저역통과필터의 전달함수와 동일한 형태를 지니고 있기 때문이다.
이와 같이 본 발명의 연료전지 발전시스템용 부하추종장치는 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류(Iinv)가 부하전류에 추종하도록 함으로써 전력 발전시에 잉여전력의 발전을 사전에 차단할 수 있으며 부하전류에 의해 계통연계형 인버터(130)의 출력이 직접 조절되는 것이 아니므로 전체 시스템이 고주파수의 왜란에 대해 강인한 성능을 지닌다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명의 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치는 연료전지 제어기(120)로 부터 입력된 전류 제한치(Ilimit) 내에서 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류(Iinv)가 부하 용량(Pload)가 일치하도록 제어할 수 있고, 현재의 부하 용량(Pload)을 계산하여 연료 전지 제어기(120)에 출력하여 잉여 전력에 의한 역조류를 방지할 수 있음과 동시에, 부하 용량(Pload)이 빈번하게 변동하거나 고조파 성분의 왜란 변동에 강인한 특성을 가진다.
상기 설명에 있어서, 특정 실시예를 들어서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위내에서 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 여러가지로 설계변경할 수 있음은 물론이다.
앞에서 설명한 바와 같이 본 발명의 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치에 의하면, 연료전지 스택에서 연료를 공급받아서 전기ㆍ화학적 원리에 의해 연료전지 제어기에서 출력되는 제어신호에 따라 직류전력을 발전하고, 연료전지 스택에 의해 발전된 직류전력을 연계계통에 연계시키도록 인버터 제어기에서 출력되는 제어신호에 의해 계통연계형 인버터에서 교류전력으로 변환시키고, 제1 전류 감지기에 의해 계통연계형 인버터의 출력전류를 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하고, 제2 전류 감지기에 의해 되는 연계 계통에 흐르는 전류를 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하고, 전압 감지기에 의해 부하에 걸리는 전압을 측정하여 상기 인버터 제어기에 출력하도록 구성되어 있으므로, 연료전지 제어기로 부터 입력된 전류 제한치 내에서 인버터의 출력 전류가 부하 용량과 일치하도록 제어할 수 있고, 현재의 부하 용량을 계산하여 연료 전지 제어기에 출력하여 잉여 전력에 의한 역조류를 방지할 수 있음과 동시에, 부하 용량이 빈번하게 변동하거나 고조파 성분의 왜란 변동에 강인한 특성을 가진다는 매우 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 종래의 태양광 발전 시스템용 인버터의 역조류 방지시스템을 개략적으로 도시한 블럭도,
도 2는 종래의 태양광 발전 시스템용 인버터의 역조류 방지시스템에 있어서 역조류 방지 방법을 설명하는 순서도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110:연료전지 스택 120:연료전지 제어기
130:계통연계형 인버터 140:인버터 제어기
141:제1 감산기 142:제1 비례-적분 제어기
143:제1 제한기 144:제2 감산기
145:제2 비례-적분 제어기 146:제2 제한기
147:가산기 148:곱셈기
150:연계계통 160:부하
170:제1 전류 감지기 180:제2 전류 감지기
190:전압 감지기
Claims (5)
- 연료를 공급받아서 전기ㆍ화학적 원리에 의해 연료전지 제어기(120)에서 출력되는 제어신호에 따라 직류전력을 발전하는 연료전지 스택(110)과, 상기 연료전지 스택(110)에 의해 발전된 직류전력을 연계계통(150)에 연계시키도록 교류전력으로 변환시키는 계통연계형 인버터(130)와, 계통연계형 인버터(130)의 동작을 제어하는 인버터 제어기(140)와, 상기 계통연계형 인버터(130)와 부하(160) 사이에 접속되어 상기 계통연계형 인버터(130)에서 출력되는 출력전류를 측정하여 상기 인버터 제어기(140)에 출력하는 제1 전류 감지기(170)와, 상기 연계 계통(150)과 부하 사이에 접속되어 상기 연계 계통(150)에 흐르는 전류를 측정하여 상기 인버터 제어기(140)에 출력하는 제2 전류 감지기(180)와, 상기 부하(160)에 걸리는 전압을 측정하여 상기 인버터 제어기(140)에 출력하는 전압 감지기(190)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치.
- 제1항에 있어서, 상기 인버터 제어기(140)는 부하(160) 추종시 계통 전류가 0(zero)이 되도록 계통 전류 지령치(0; zero)와 상기 제2 전류감지기(180)에 의해 측정된 연계 계통(50)에 흐르는 전류값(Iac)과의 차(Iac,err)를 출력하는 제1 감산기(141)와, 상기 제1 감산기(141)의 출력값(Iac,err)으로부터 계통 전류가 0이 되도록 계통연계형 인버터(130)가 출력해야 하는 인버터 전류 지령치(Iinv *)를 연산하여 생성하는 제1 비례-적분 제어기(142)와, 상기 연료전지 스택(110)에 심각한 손상을 방지하도록 상기 제1 비례-적분 제어기(142)에 의해 비례-적분된 인버터 전류 지령치(Iinv *)가 상기 연료전지 제어기(120)로부터 입력된 연료전지 발전 전류값(Ilimit) 보다 크면, 상기 인버터 전류 지령치(Iinv *)를 연료전지 스택(110)에서 발전된 연료전지 발전 전류(Ilimit)이내로 제한하는 제1 제한기(143)와, 상기 제1 제한기(143)에 의해 제한되어 출력되는 출력 전류값(Iinv,lim *)과 상기 제1 전류 감지기(170)에 의해 측정된 현재 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류값(Iinv)의 차를 출력하는 제2 감산기(144)와, 상기 제1 감산기(144)의 출력 전류값(Iinv,err)으로부터 상기 계통연계형 인버터(130)가 출력 전류값(Iinv,lim *)에 해당하는 전류를 출력하기 위해 계통연계형 인버터(130)가 생성해야 하는 인버터 출력 전압 지령치(Vinv *)를 연산하는 제2 비례-적분 제어기(145)와, 미리 정해진 전압 제한치(Vlimit)에 의해 상기 제2 비례-적분 제어기(145)에서 상기 계통연계형 인버터(130)에 출력되는 출력 전압값(Vinv *)를 제한시켜 제한 전압값(Vinv,lim *)을 출력하는 제2 제한기(146)와, 상기 제1 전류 감지기(170)에 의해 측정된 현재 상기 계통연계형 인버터(130)의 출력 전류값(Iinv)과 상기 제2 전류감지기(180)에 의해 측정된 연계 계통(150)에 흐르는 전류값(Iac)을 받아 가산하여 부하 전류를 계산하는 가산기(147)와, 상기 전압 감지기(190)에 의해 측정된 상기 부하(160)에 걸리는 전압과 상기 가산기(147)에서 출력되는 부하 전류를 곱하여 현재의 부하 용량(Pload)을 계산하여 상기 연료전지 제어기(120)로 출력하는 곱셈기(148)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 감지기(170)는 변류기(CT;Current Transformer)인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 전류 감지기(180)는 변류기인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전압 감지기(190)는 계기용 변압기인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템용 계통연계형 인버터의 부하추종장치.
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