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KR101450711B1 - 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템 - Google Patents

직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템 Download PDF

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KR101450711B1
KR101450711B1 KR1020130004963A KR20130004963A KR101450711B1 KR 101450711 B1 KR101450711 B1 KR 101450711B1 KR 1020130004963 A KR1020130004963 A KR 1020130004963A KR 20130004963 A KR20130004963 A KR 20130004963A KR 101450711 B1 KR101450711 B1 KR 101450711B1
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서현욱
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Abstract

본 발명은 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템에 관한 것으로서, 계통과의 연계를 위한 계통연계형 인버터(100); 신재생에너지에서 발전되는 전력을 제어하기 위한 스텝-업 컨버터(200); 직류배전을 위한 스텝-다운 컨버터(300); 에너지 저장장치의 충방전을 위한 양방향 컨버터(400); 및 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이상인 경우, 신재생에너지와 함께 직류부하로 전력을 인가하고, 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우, 신재생에너지만 직류부하로 전력을 인가하도록 제어하는 제어부(500);를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 에너지 저장장치 및 변환 시스템에 직류배전기능을 추가함으로써, 에너지 변환손실을 저감시켜 에너지 효율을 향상시키고, 에너지 저장장치를 구비하여 기본적인 UPS 기능 및 계통연계형 발전시스템의 기능을 수행함으로써, 전력의 수급에 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템{DC DISTRIBUTION FUNCTION WITH ENERGY STORAGE AND CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 신재생에너지에서 발전되는 전력과 에너지 저장장치에 저장되어 있는 전력을 이용하여 DC링크에서 직류부하에 직류전원을 공급할 수 있는 기능을 갖는 시스템과 그의 운용 방법에 관한 것이다.
최근에 디지털 부하와 같이 교류를 입력받아 직류를 사용하는 부하의 비율이 증가함에 따라서 부하의 내부에 교류-직류 변환기의 사용이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 변환기는 효율이 약 75~90[%]사이 이기 때문에 대략 10~20[%]정도가 손실로 발생하게 된다.
이에 따라 전 세계적으로 직류를 직접 공급하는 직류배전에 관하여 주목을 하고 있으며 직류표준을 정하기 위하여 미국전기연구원, 일본 NTT 등에서 작업을 하고 있다. 또한 미국전기연구원에 따르면 현재 부하의 비율은 교류부하와 직류를 사용하는 부하의 비율은 9:1정도 이지만 2020년도에는 5:5까지 비율이 상승할 것으로 예측하고 있다.
현재 신재생에너지를 사용하는 태양광 또는 연료전지 등을 이용하는 발전시스템의 경우 직류를 출력을 내보내고 있으며 이러한 장비들은 직류를 교류로 변환을 하여 사용하게 된다. 일반적으로 직류를 교류로 사용하기 위해서 2 Stage 구조를 가지고 있으며 신재생에너지와의 연계를 위한 DC/DC 컨버터, 계통연계를 위한 계통연계형 인버터를 사용하는 구조를 가지고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0133993호(듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 시스템 및 방법)에는, 1) 부하에 의해 이끌려지는 부하 전류를 결정하고, 2) 부하 전류에 기초하여, 배터리로부터 부하에 공급될 추정된 배터리 전류를 추정하며, 3) 추정된 배터리 전류 및 부하 전류에 기초하여 부하에 패스트 에너지 저장 장치로부터 요구되는 과도 전류를 결정하고, 4) 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하에 과도 전류의 방전을 제어하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 선행특허와 같이 신재생에너지에서 발생되는 전력은 최소 2번이상의 변환을 거쳐야 하며, 이에 따라 변환손실의 발생이 불가피한 문제점이 있다. 따라서, 이러한 변환손실을 저감하는 기술은 필요성이 증대되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 신재생에너지에서 발전되는 전력량과 에너지 저장장치에 저장된 전력량을 제어하여, 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이상인 경우, 신재생에너지와 함께 직류부하로 전력을 전달하고, 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우, 신재생에너지만 직류부하로 전력을 전달함으로써, 정전시 UPS(Uninterruptible Power Supply) 기능을 위하여 일정 이상의 전력량을 저장하도록 하는데 그 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 에너지 저장 장치에 저장된 전력을 이용하여 직류부하에 전력을 전달함으로써, 신재생에너지로부터 부하에 전력을 전달하는 경우, 변환손실을 저감시켜 에너지 효율을 향상시키는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템은, 계통과의 연계를 위한 계통연계형 인버터(100); 신재생에너지에서 발전되는 전력을 제어하기 위한 스텝-업 컨버터(200); 직류배전을 위한 스텝-다운 컨버터(300); 에너지 저장장치의 충방전을 위한 양방향 컨버터(400); 및 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이상인 경우, 신재생에너지와 함께 직류부하로 전력을 인가하고, 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우, 신재생에너지만 직류부하로 전력을 인가하도록 제어하는 제어부(500);를 포함한다.
그리고, 전술한 바와 같은 시스템을 기반으로 하는 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템 운용 방법은, 제어부(500)가 신재생에너지로부터 발전되는 전력량과 직류부하에서 소비되는 발전량을 검출하는 (a) 단계; (a) 단계의 검출결과, 신재생에너지로부터 발전되는 전력량과 직류부하에서 소비되는 발전량이 동일한 경우, 제어부(500)가 정격모드 기능을 수행하여 계통연계형 인버터(100)와 에너지 저장장치가 동작하지 않도록 제어하는 (b) 단계; (a) 단계의 검출결과, 신재생에너지로부터 발전되는 발전량이 직류부하에서 소비되는 전력량보다 적은 경우, 제어부(500)가 중부하모드 기능을 수행하여 계통과 함께 직류부하에 전력을 전달하는 (c) 단계; (a) 단계의 검출결과, 신재생에너지에서 발전되는 발전량이 직류부하에서 소비되는 전력량보다 높은 경우, 제어부(500)가 발전 및 충전모드 기능을 수행하여 직류부하로 전력을 인가하고 남은 발전량을 계통으로 인가하고, 에너지 저장장치의 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우 충전을 수행하도록 제어하는 (d) 단계; 및 (a) 단계의 검출결과, 신재생에너지의 발전량이 직류부하의 소비전력보다 적은 경우, 제어부(500)가 방전모드 기능을 수행하여 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준을 초과하는 경우 동작하도록 제어하는 (e) 단계;를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 에너지 저장장치 및 변환 시스템에 직류배전기능을 추가함으로써, 에너지 변환손실을 저감시켜 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 종래의 직류-교류의 변환을 거치는 구조가 아니라, 직류-직류를 거치는 구조를 제공함으로써, 변환손실을 약 3~4[%] 상승시키는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 에너지 저장장치를 구비하여 기본적인 UPS 기능 및 계통연계형 발전시스템의 기능을 수행함으로써, 전력의 수급에 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템의 구성 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템의 직류연계 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템의 시스템 회로를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템의 세부구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템의 제어부에 대한 세부모드를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템 운용 방법을 도시한 순서도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템(S)은, 계통과의 연계를 위한 계통연계형 인버터(100), 신재생에너지에서 발전되는 전력을 제어하기 위한 스텝-업 컨버터(200), 직류배전을 위한 스텝-다운 컨버터(300), 에너지 저장장치의 충방전을 위한 양방향 컨버터(400) 및 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이상인 경우, 신재생에너지와 함께 직류부하로 전력을 인가하고, 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우, 신재생에너지만 직류부하로 전력을 인가하도록 제어하는 제어부(500)를 포함하며, 제어부(500)로부터 수신한 제어결과 신호들을 실시간으로 디스플레이하는 모니터링서버(MS)를 포함하여 구성된다.
한편, 도 2는 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템(S)의 구성 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템(S)의 직류연계 구조를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템(S)의 시스템 회로를 도시한 도면이다.
구체적으로 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템(S)의 세부구성에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 계통연계형 인버터(100)는 계통의 역률 및 고조파함유율(Total Harmonic Distortion: THD)을 계통기준에 부합하도록 제어하는 역률보정(Power Factor Correction: PFC) 기능을 수행하며, 계통사고를 감지하는 경우 감지된 계통의 단독운전을 방지하는 기능을 수행한다.
즉, 계통연계형 인버터(100)는 계통이 정상인 경우, 계통의 역률 및 THD를 계통기준에 부합하도록 제어하고, DC 버스를 일정하게 제어하며, 계통사고를 검출하는 단독운전 검출기능을 수행한다.
또한, 계통연계형 인버터(100)는 계통에 사고가 발생한 경우, UPS(Uninterruptible Power Supply)기능 수행을 위해 부하쪽의 출력전압의 정현파를 제어하고, 계통이 복귀되는 경우 이를 검출하여 계통과 연결되도록 제어한다.
또한, 스텝-업 컨버터(200)는 신재생에너지에서 발전되는 전력을 제어하되, 무변압기형 부스트 컨버터구조로 구성되어, 입력단은 커패시터와 인덕터, IGBT구조를 가지고, 출력단은 계통연계형 인버터(100)의 DC bus와 연결되며, 신재생에너지로부터 발생되는 전력의 최대치를 추종하기 위해 MPPT기능을 수행한다.
이때, 스텝-업 컨버터(200)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 수행하기 위해 P&O(Perturbation & Observation) 추종 알고리즘을 통해 입력단 전압과 전류를 동시에 제어하면서 피크치에 제한을 가하는 2중 루프 구조의 제어를 수행한다.
또한, 스텝-다운 컨버터(300)는 직류배전 기능을 수행하되, 인버터, 출력단 커패시터, IGBT 및 다이오드로 구성되어 입력단은 DC bus인 계통연계형 인버터(100)의 출력단과 연결된다.
또한, 양방향 컨버터(400)는 에너지 저장장치의 충방전 기능을 수행하되, IBGT 2개, 인덕터 및 커패시터를 포함하는 벅-부스트 컨버터로 구성되며, 계통연계형 인버터(100)의 DC bus와 연결되며, 계통에 사고가 발생하지 않은 경우, 계통의 역률 및 고조파함유율(Total Harmonic Distortion: THD)을 계통기준에 부합하도록 맞추는 기능을 수행하고, 계통에 사고가 발생한 경우, 계통연계형 인버터(100)가 일정한 전압을 가지도록 제어하여 계통이 복귀될 때까지 UPS(Uninterruptible Power Supply)기능을 수행한다.
그리고, 제어부(500)는 도 5에 도시된 바와 같이, DSP(Digital Signal Processor)모듈과 주변회로의 구동을 위한 파워회로(510), 시스템의 스위치 제어를 위한 PWM신호를 발생시키는 PWM 회로(520), 아날로그 신호를 DSP가 입력받을 수 있도록 변환하는 AD컨버터 회로(530), 및 외부와의 통신을 위한 통신회로(540)로 구성된다.
먼저, 파워회로(510)는 배터리로부터 인가받은 전압을 15V로 강압시켜 제어보드로 전원을 인가하되, 외부로부터 인가되는 노이즈를 방지하기 위해 절연하여 15V, -15V, 5V, -5V 및 3.3V의 전원을 인가하고, 접지의 경우 아날로그 접지, 디지털 접지 및 DSP 접지로 구성된다.
또한, PWM 회로(520)는 DSP모듈로부터 출력되는 PWM 신호의 레벨을 스위치에 인가될 수 있도록 디지털신호로 변환하고, PWM 신호를 시스템의 고장신호 발생시 차단하는 기능을 수행한다.
이때, PWM 회로(520)는 DSP모듈에서 출력되는 신호레벨의 경우 3.3V이며, 실제 시스템의 스위치의 경우 15V를 사용하는바, 버퍼를 통해 신호레벨을 변환시키고, 버퍼를 사용하여 고장시 PWM 신호가 출력되지 않도록 차단하는 기능을 수행한다.
또한, AD컨버터 회로(530)는 아날로그로 센싱된 신호를 DSP모듈로 신호를 전달해주는 기능을 수행하되, 센서로부터 출력된 신호를 입력받는데, 입력된 신호에는 Differential 노이즈와 Common 노이즈가 존재할 수 있으므로 이러한 노이즈를 제어하는 차동 필터와 쵸크를 포함하고, 고주파 노이즈를 필터링하기 위해서 저역통과필터를 포함하여 구성된다.
또한, AD컨버터 회로(530)는 교류신호를 DSP모듈에 전달하기 위하여 1.5V 오프셋을 띄어주는 회로를 구성하여 직류 신호와 교류 신호를 모두를 인가받을 수 있도록 구성된다.
그리고, 통신회로(540)는 계측 제어기 통신망(CAN: Controller Area Network) 통신에 의해 현재 배터리를 사용하는 모든 고전압 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)과 통신을 수행하고, RS232 통신에 의해 원격지에 위치한 모니터링서버(MS)와의 통신을 수행한다.
구체적으로, 제어부(500)는 도 6에 도시된 바와 같이, 에너지 저장장치의 상태와 신재생에너지의 발전량을 측정하여 부하의 전력요구량에 따라 정격모드, 중부하모드, 발전/충전모드 또는 방전모드 중에 어느 하나의 기능을 수행한다.
먼저, 신재생에너지로부터 발전되는 전력량과 직류부하에서 소비되는 발전량이 동일한 경우, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 정격모드 기능을 수행하여 계통연계형 인버터(100)와 에너지 저장장치가 동작하지 않도록 제어한다.
또한, 신재생에너지로부터 발전되는 발전량과 직류부하에서 소비되는 전력량이 직류부하에서 소비되는 전력량보다 적은 경우, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 중부하모드 기능을 수행하여 계통과 함께 직류부하에 전력을 전달한다.
또한, 신재생에너지에서 발전되는 발전량이 직류부하에서 소비되는 전력량보다 높은 경우, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 발전 및 충전모드 기능을 수행하여 직류부하로 전력을 인가하고 남은 발전량을 계통으로 인가하고, 에너지 저장장치의 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우 충전을 수행하도록 제어한다.
이때, 충전되는 전류 지령치는 발전량과 소비량 차이의 값을 배터리의 전압으로 나누어 생산하게 된다.
그리고, 신재생에너지의 발전량이 직류부하의 소비전력보다 적은 경우, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 방전모드 기능을 수행하여 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준을 초과하는 경우 동작하도록 제어한다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템 운용 방법에 대해 살피면 아래와 같다.
먼저, 제어부(500)가 신재생에너지로부터 발전되는 전력량과 직류부하에서 소비되는 발전량을 검출한다(S10).
제S10단계의 검출결과, 신재생에너지로부터 발전되는 전력량과 직류부하에서 소비되는 발전량이 동일한 경우, 제어부(500)가 정격모드 기능을 수행하여 계통연계형 인버터(100)와 에너지 저장장치가 동작하지 않도록 제어한다(S20).
제S10단계의 검출결과, 신재생에너지로부터 발전되는 발전량이 직류부하에서 소비되는 전력량보다 적은 경우, 제어부(500)가 중부하모드 기능을 수행하여 계통과 함께 직류부하에 전력을 전달한다(S30).
제S10단계의 검출결과, 신재생에너지에서 발전되는 발전량이 직류부하에서 소비되는 전력량보다 높은 경우, 제어부(500)가 발전 및 충전모드 기능을 수행하여 직류부하로 전력을 인가하고 남은 발전량을 계통으로 인가하고, 에너지 저장장치의 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우 충전을 수행하도록 제어한다(S40).
제S10단계의 검출결과, 신재생에너지의 발전량이 직류부하의 소비전력보다 적은 경우, 제어부(500)가 방전모드 기능을 수행하여 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준을 초과하는 경우 동작하도록 제어한다(S50).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S: 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템
100: 계통연계형 인버터 200: 스텝-업 컨버터
300: 스템-다운 컨버터 400: 양방향 컨버터
500: 제어부 510: 파워회로
520: PWM 회로 530: AD컨버터 회로
540: 통신회로

Claims (7)

  1. 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템에 있어서,
    계통과의 연계를 위한 계통연계형 인버터(100);
    신재생에너지에서 발전되는 전력을 제어하기 위한 스텝-업 컨버터(200);
    직류배전을 위한 스텝-다운 컨버터(300);
    에너지 저장장치의 충방전을 위한 양방향 컨버터(400); 및
    에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이상인 경우, 에너지 저장장치에 저장된 전력 및 신재생에너지에서 발전되는 전력을 직류부하로 인가하고, 에너지 저장장치에 저장된 전력량이 기 설정된 기준 이하인 경우, 신재생에너지만 직류부하로 전력을 인가하도록 제어하는 제어부(500);를 포함하되,
    상기 제어부(500)는,
    배터리로부터 인가받은 전압을 15V로 강압시켜 제어보드로 전원을 인가하되, 외부로부터 인가되는 노이즈를 방지하기 위해 절연하여 15V, -15V, 5V, -5V 및 3.3V의 전원을 인가하고, 접지의 경우 아날로그 접지, 디지털 접지 및 DSP 접지로 구성되는 파워회로(510);
    DSP모듈에서 출력되는 신호레벨의 경우 3.3V이며, 실제 시스템의 스위치의 경우 15V를 사용하는바, 버퍼를 통해 신호레벨을 변환시키고, 버퍼를 사용하여 고장시 PWM 신호가 출력되지 않도록 차단하는 기능을 수행하는 PWM 회로(520);
    아날로그로 센싱된 신호를 DSP모듈로 신호를 전달해주는 기능을 수행하되, 센서로부터 출력된 신호를 입력받는데, 입력된 신호에는 Differential 노이즈와 Common 노이즈가 존재할 수 있으므로 이러한 노이즈를 제어하는 차동 필터와 쵸크를 포함하고, 고주파 노이즈를 필터링하기 위해서 저역통과필터를 포함하는 AD컨버터 회로(530); 및
    계측 제어기 통신망(CAN: Controller Area Network) 통신에 의해 현재 배터리를 사용하는 모든 고전압 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)과 통신을 수행하고, RS232 통신에 의해 원격지에 위치한 모니터링서버(MS)와의 통신을 수행하는 통신회로(540);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 계통연계형 인버터(100)는,
    계통의 역률 및 고조파함유율(Total Harmonic Distortion: THD)을 계통기준에 부합하도록 제어하는 역률보정(Power Factor Correction: PFC) 기능을 수행하며, 계통사고를 감지하는 경우 감지된 계통의 단독운전을 방지하는 기능을 수행하되,
    계통이 정상인 경우, 계통의 역률 및 고조파함유율(Total Harmonic Distortion: THD)을 계통기준에 부합하도록 제어하고, DC 버스를 일정하게 제어하며, 계통사고를 검출하는 단독운전 검출기능을 수행하고,
    계통에 사고가 발생한 경우, UPS(Uninterruptible Power Supply)기능 수행을 위해 부하쪽의 출력전압의 정현파를 제어하고, 계통이 복귀되는 경우 이를 검출하여 계통과 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 직류배전기능을 갖는 에너지 저장 및 변환 시스템.
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