KR20170066692A - 서브 모듈 분배 제어, 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
서브 모듈 분배 제어 방법, 장치 및 시스템이 제공된다. 각 브리지 암의 서브 모듈은 그룹화되어 있다. 각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응한다. 상위 제어장치는 브리지 암 전류에 따라 각 그룹의 무게와 각 그룹의 정상 서브 모듈의 평균 전압 및 각 그룹의 정상 서브 모듈의 수를 계산하고, 상응하는 브리지 암에 입력되는 서브 모듈의 수에 따라 각 그룹에 입력되는 서브 모듈의 수를 계산하고, 상기 서브 모듈의 수를 상기 밸브 기반 제어기에 전달한다. 상기 밸브 기반 제어기는 전압 밸런싱 (평형, 균형) 방법 및 선행 기술에 제공된 게이팅 (gating) 방법에 따라 작동한다.
Description
본 발명은 전력전자(power electronics) 기술 분야에 관한 것으로, 특히, 서브 모듈 분배 제어 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
전력전자 기술이 발달함에 따라, 모듈 멀티레벨 컨버터 기반 플렉시블 직류 전력 전송 기술이 각별히 주목을 받고 있으며, 광범위하게 사용되고 있다. 이 토폴로지의 브리지 암(bridge arm)에 대해, 기본 작동 유닛은 케스케이드(cascade)식으로 연결되고, 작동의 연결성과 같은 문제없이, 다수의 스위치 소자의 직렬 연결이 회피되어, 직류 전력 전송에 대한 기술 장벽을 크게 축소시킨다. 그러나, 이 같은 토폴로지로 인해, 에너지가 브리지 암의 서브 모듈(submodule)의 커패시터 내에서 확산, 저장되는데, 작동 중 서브 모듈의 커패시터 전압에 대한 빠른 균형 제어를 어떻게 실행하느냐가 어려움 중에 하나이다.
현재, 서브 모듈 간의 전압 균형 방법으로, 서브 모듈의 커패시터 전압을 서열화(sequencing) 및 게이팅(gating)하는 방법이 통상 사용된다. 그러나, 브리지 암에 지나칠 정도로 많은 서브 모듈이 존재하는 경우, 순서화 알고리즘에 소요되는 시간 비용이 대부분을 차지하고, 밸브 기반 제어기의 부하율(load rate)이 과도하게 높아지고, 서브 모듈의 수(링크의 수)가 전압 레벨의 증가에 따라 이에 상응하여 증가할 필요가 있기 때문에, 서열화 알고리즘에 소요되는 시간 비용은 기하급수적으로 증가한다.
반면에, 각 서브 모듈이 밸브 기반 제어기와 통신할 필요가 있기 때문에, 상기 밸브 기반 제어기와 상기 서브 모듈 사이의 통신 인터페이스의 수는 링크 수가 증가함에 따라 증가하게 된다. 그러나, 하드웨어의 증설은 결과적으로 비용과 개발 기간을 상당 부분 증가시키기 때문에 이는 밸브 기반 제어기의 증설을 방해하게 된다.
중국특허출원번호 CN201210451946에서는 “모듈화 멀티레벨 컨버터의 그룹화 및 전압 균형을 위한 제어 방법”을 제시하고 있다. 이 발명에 따르면, 서브 모듈은 균등하게 그룹화되고, 각 그룹의 전체 전압을 계산하고, 각 그룹의 에너지 평형 인자를 계산하여, 이에 따라 각 그룹에 투입될 서브 모듈의 수를 계산하게 된다. 이 같은 알고리즘은, 고장이나 작동 중 서브 모듈에서 발생하는 바이패스와 같은 상황을 고려하지 않고, 서브 모듈의 균등 그룹화를 요구하게 되어, 결국 정상 서브 모듈의 수에 극적인 변화를 초래하게 된다. 또한, 본 발명에서 각 그룹의 전체 전압을 사용하여 각 그룹의 에너지 평형 인자를 계산하는 방법은 각 그룹의 정상 서브 모듈의 수가 크게 다를 때 서브 모듈 전압의 발산(분기, divergence)를 초래할 수 있으며, 또한 정상 모듈의 수보다 투입 서브 모듈의 계산된 수를 크게 하는 결과를 초래할 수도 있다.
따라서, 밸브 기반 제어기의 부하율을 축소하기 위한, 응용 공학(engineering application)에 실현 가능한 해결방안을 모색하고, 밸브 기반 제어기의 확장성을 향상시키고, 서브 모듈간의 전압 평형에 대한 탁월한 효과를 달성할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 링크 수 증가로 인한 밸브 기반 제어기의 부하율 증가를 회피하고, 밸브 기반 제어기의 하드웨어 확장에 의한 비용 증가와 개발 기간의 증가를 회피하고, 서브 모듈 간의 전압 평형의 우수한 효과를 달성하기 위한 서브 모듈 분배 제어 방법, 장치 및 시스템이 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음의 기술 방안을 채택한다:
컨버터 밸브의 각 브리지 암의 모든 서브 모듈은 M 그룹으로 그룹화되어 있고, 여기서 M ≥1이며, 모든 서브 모듈은 고장 서브 모듈과 정상 서브 모듈을 포함하며, 각 그룹의 각 서브 모듈은 동 수 또는 동 수가 아닐 수 있으며, 각 그룹의 정상 서브 모듈은 동적으로 그 수가 변하도록 하며, 각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응하며, 각 밸브 기반 제어기는 별도로 작동하며, 상위 제어기는 입력 서브 모듈은 수를 상기 밸브 기반 제어기에 제공하며, 입력 서브 모듈의 수는 다음과 같이 계산되는 서브 모듈 분배 제어 방법에서, 상기 입력 서브 모듈의 수의 계산은:
(1) 각 밸브 기반 제어기는, 상기 밸브 기반 제어기가 관리(administered)한 정상 서브 모듈의 평균 전압 을 찾아내고, 상기 정상 서브 모듈의 의 수를 계산(count)하고, 상기 평균 전압과 수를 상기 상위 제어기에 전달하며;
(3) 상기 상위 제어기는 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치 (weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이며;
(4) 상기 상위 제어기는 상응하는 브리지 암에 입력되는 서브 모듈의 전체 수 와 각 밸브 기반 제어기의 가중치 B i 에 따라 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 =round에 따라 계산하며, 여기서 round(어림)는 어림 함수(Rounding Function)이다.
상기 해결 방안에서, 상기 상위 제어기는 상기 컨버터 밸브의 하나 이상을 관리한다.
상기 해결 방안에서, 정상 서브 모듈은 정상 스위칭에 참여할 수 있는 서브 모듈이다.
상기 해결 방안에서, 상기 고장 서브 모듈은 바이패스 상태, 동기 상태 (Locked State) 및 컨버터 밸브 타워 상의 공(Vacant, 空) 슬롯인 서브 모듈을 포함한다.
상기 해결방안에서, 모든 변수의 첨자 i의 가치는 1에서 M까지이다.
상기 해결방안에서, 상기 (3) 단계에서 상기 충전 방향은 서브 모듈 전압이 상승할 때의 브리지 암 전류의 방향이며, 상기 방전 방향은 상기 서브 모듈 전압이 하락할 때의 브리지 암 전류의 방향을 의미한다.
본 발명은 또한 서브 모듈 분배 제어 장치를 제공하고, 상기 장치는 방향 결정 유닛과, 가중치 해결 유닛, 선별 스위치 유닛, 브리지 암 입력 계산 유닛 및 밸브 기반 제어 입력 계산 유닛을 포함하며, 상기 방향 결정 유닛은 상기 획득 브리지 암 전류 에 따라 방향을 결정하며;
상기 가중치 해결 유닛은, 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치(weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이며, 상기 선별 스위치 유닛은, 상기 방향 결정 유닛의 결정 결과에 따라 상기 관리된 밸브 기반 제어기의 상기 가중치 B i 를 선별하며, 상기 가중치를 상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛에 출력하며;
상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛은, 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 수 =round 를, 상기 브리지 암 입력 계산 유닛에 의해 계산되는, 상응하는 브리지 암에 입력되는 가중치 B i 와 전체 수 에 따라, 계산하며, 여기서, round(어림)는 어림 함수 (rounding function)이다.
본 발명은 또한 서브 모듈 분배 제어 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 컨버터 밸브와 상위 제어기 및 밸브 기반 제어기를 포함하며, 상기 컨버터 밸브의 각 브리지 암의 모든 서브 모듈은 M그룹으로 그룹화되어 있고, 여기서 M ≥1이며, 상기 모든 서브 모듈은 고장 서브 모듈과 정상 서브 모듈을 포함하며, 각 그룹의 각 서브 모듈은 동 수이거나 동 수가 아닐 수 있으며, 각 그룹의 정상 서브 모듈은 그 수가 동적으로 변하도록 하며,
각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응하며, 각 밸브 기반 제어기는 별도로 작동하며, 상기 상위 제어기는 7항에서 정의하는 서브 모듈 분배 제어 장치를 포함하며, 입력 서브 모듈의 수를 계산하며, 그 수를 상기 밸브 기반 제어기에 전달한다.
본 발명은 상기 해결 방안을 사용하여, 다음과 같은 유리한 효과를 달성한다:
(1) 밸브 기반 제어기의 부하율이 크게 감소하고, 상기 밸브 기반 제어기의 신뢰가 향상되며;
(2) 상기 밸브 기반 제어기의 하드웨어 확장이 회피되어, 개발 기간과 개발 비용이 감소되며;
(3) 각 그룹의 서브 모듈의 평균 전압에 관한 정보가 가중치에 도입되어, 상기 전압이 그룹 안에서 잘 평형(조화)될 수 있게 해 주며; 및
(4) 각 그룹의 정상 서브 모듈의 수에 관한 정보가 가중치에 도입되어, 각 그룹에 입력되는 서브 모듈의 계산된 수가 상기 그룹의 정상 서브 모듈의 수를 초과하지 않도록 해 주는 유리한 효과가 있다.
도 1은 서브 모듈 분배 제어 구조의 도면으로, VBC는 밸브 기반 제어기를 의미하며, SM은 서브 모듈을 의미하며;
도 2는 서브 모듈 분배 제어 로직의 도면이며;
도 3은 본 발명의 서브 모듈 분배 제어 장치의 구조도이다.
도 2는 서브 모듈 분배 제어 로직의 도면이며;
도 3은 본 발명의 서브 모듈 분배 제어 장치의 구조도이다.
본 발명의 기술적 해결 방안을 첨부 도면과 실시 예에 따라 상세히 설명한다.
컨버터 밸브의 각 브리지 암(bridge arm)의 모든 서브 모듈은 M 그룹으로 그룹화되어 있고, 여기서 M ≥ 1이며, 모든 서브 모듈은 고장 서브 모듈과 정상 서브 모듈을 포함하며, 각 그룹의 각 서브 모듈은 동 수 또는 동 수가 아닐 수 있으며, 각 그룹의 정상 서브 모듈은 동적으로 그 수가 변하도록 하며, 각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응하며, 각 밸브 기반 제어기는 별도로 작동하며, 상위 제어기는 입력 서브 모듈은 수를 상기 밸브 기반 제어기에 제공하며, 입력 서브 모듈의 수는 다음과 같이 계산되는 특징의 서브 모듈 분배 제어 방법에서, 상기 입력 서브 모듈의 수의 계산은:
(1) 각 밸브 기반 제어기는, 상기 밸브 기반 제어기가 관리(administered)한 정상 서브 모듈의 평균 전압 을 찾아내고, 상기 정상 서브 모듈의 의 수를 계산(count)하고, 상기 평균 전압과 수를 상기 상위 제어기에 전달하며;
(3) 상기 상위 제어기는 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치(weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이며;
(4) 상기 상위 제어기는 상응하는 브리지 암에 입력되는 서브 모듈의 전체 수 와 각 밸브 기반 제어기의 가중치 B i 에 따라 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 =round에 따라 계산하며, 여기서 round(어림)는 어림 함수(rounding function)이다.
상기 상위 제어기는 상기 컨버터 밸브의 하나 이상을 관리한다.
상기 정상 서브 모듈은 정상 스위칭에 참여할 수 있는 서브 모듈이다.
상기 고장 서브 모듈은 바이패스 상태, 동기 상태(locked state) 및 컨버터 밸브 타워 상의 공(vacant, 空) 슬롯인 서브 모듈을 포함한다.
모든 변수의 첨자 i의 가치는 1에서 M까지이다.
상기 충전 방향은 서브 모듈 전압이 상승할 때의 브리지 암 전류의 방향이며, 상기 방전 방향은 상기 서브 모듈 전압이 하락할 때의 브리지 암 전류의 방향을 의미한다.
본 발명은 또한 서브 모듈 분배 제어 장치를 제공하고, 상기 장치는, 도 3에 도시한 바와 같이, 방향 결정 유닛과, 가중치 해결 유닛, 선별 스위치 유닛, 브리지 암 입력 계산 유닛 및 밸브 기반 제어 입력 계산 유닛을 포함하며,
상기 가중치 해결 유닛은, 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치(weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이다.
상기 선별 스위치 유닛은, 상기 방향 결정 유닛의 결정 결과에 따라 상기 관리된 밸브 기반 제어기의 상기 가중치 B i 를 선별하며, 상기 가중치를 상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛에 출력하며;
상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛은, 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 수 =round를, 상기 브리지 암 입력 계산 유닛에 의해 계산되는, 상응하는 브리지 암에 입력되는 가중치 B i 와 전체 수 에 따라, 계산하며, 여기서, round(어림)는 어림 함수 (rounding function)이다.
본 발명은 또한 서브 모듈 분배 제어 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 컨버터 밸브와 상위 제어기 및 밸브 기반 제어기를 포함하며, 상기 컨버터 밸브의 각 브리지 암의 모든 서브 모듈은 M그룹으로 그룹화되어 있고, 여기서 M ≥1이며, 상기 모든 서브 모듈은 고장 서브 모듈과 정상 서브 모듈을 포함하며, 각 그룹의 각 서브 모듈은 동 수이거나 동 수가 아닐 수 있으며, 각 그룹의 정상 서브 모듈은 그 수가 동적으로 변하도록 하며,
각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응하며, 각 밸브 기반 제어기는 별도로 작동하며, 상기 상위 제어기는 7항에서 정의하는 서브 모듈 분배 제어 장치를 포함하며, 입력 서브 모듈의 수를 계산하며, 그 수를 상기 밸브 기반 제어기에 전달한다.
상기 실시 예는 단지 본 발명의 기술적 사상을 설명할 뿐이며, 본 발명의 보호범위를 제한하지 않는다. 본 발명이 제공하는 상기 기술적 해결 방안과 기술 사상에 근거한 모든 변형은 본 발명의 보호 범위 안에 들어간다.
Claims (8)
- 컨버터 밸브의 각 브리지 암의 모든 서브 모듈은 M 그룹으로 그룹화되어 있고, 여기서 M ≥1이며, 모든 서브 모듈은 고장 서브 모듈과 정상 서브 모듈을 포함하며, 각 그룹의 각 서브 모듈은 동 수 또는 동 수가 아닐 수 있으며, 각 그룹의 정상 서브 모듈은 동적으로 그 수가 변하도록 하며, 각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응하며, 각 밸브 기반 제어기는 별도로 작동하며, 상위 제어기는 입력 서브 모듈은 수를 상기 밸브 기반 제어기에 제공하며, 입력 서브 모듈의 수는 다음과 같이 계산되는 특징의 서브 모듈 분배 제어 방법에서, 상기 입력 서브 모듈의 수의 계산은:
(1) 각 밸브 기반 제어기는, 상기 밸브 기반 제어기가 관리한 정상 서브 모듈의 평균 전압 을 찾아내고, 상기 정상 서브 모듈의 의 수를 계산(count)하고, 상기 평균 전압과 수를 상기 상위 제어기에 전달하며;
(2) 상기 상위 제어기는 브리지 암 전류 를 획득하고 방향을 결정하며;
(3) 상기 상위 제어기는 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치(weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이며; 및
(4) 상기 상위 제어기는 상응하는 브리지 암에 입력되는 서브 모듈의 전체 수 와 각 밸브 기반 제어기의 가중치 B i 에 따라 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 =round에 따라 계산하며, 여기서 round(어림)는 어림 함수 (rounding function)이며,
상기 상위 제어기는 상기 컨버터 밸브의 하나 이상을 관리하며,
상기 정상 서브 모듈은 정상 스위칭에 참여할 수 있는 서브 모듈이며,
상기 고장 서브 모듈은 바이패스 상태, 동기 상태 (locked state) 및 컨버터 밸브 타워 상의 공(vacant, 空) 슬롯인 서브 모듈을 포함하며,
모든 변수의 첨자 i의 가치는 1에서 M까지이며,
상기 충전 방향은 서브 모듈 전압이 상승할 때의 브리지 암 전류의 방향이며, 상기 방전 방향은 상기 서브 모듈 전압이 하락할 때의 브리지 암 전류의 방향을 의미하며,
본 발명은 또한 서브 모듈 분배 제어 장치를 제공하고, 상기 장치는, 도3에 도시한 바와 같이, 방향 결정 유닛과, 가중치 해결 유닛, 선별 스위치 유닛, 브리지 암 입력 계산 유닛 및 밸브 기반 제어 입력 계산 유닛을 포함하며,
상기 방향 결정 유닛은 상기 획득 브리지 암 전류 에 따라 방향을 결정하며;
상기 가중치 해결 유닛은, 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치(weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이며;
상기 선별 스위치 유닛은, 상기 방향 결정 유닛의 결정 결과에 따라 상기 관리된 밸브 기반 제어기의 상기 가중치 B i 를 선별하며, 상기 가중치를 상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛에 출력하며;
상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛은, 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 수 =round 를, 상기 브리지 암 입력 계산 유닛에 의해 계산되는, 상응하는 브리지 암에 입력되는 가중치 B i 와 전체 수 에 따라, 계산하며, 여기서, round(어림)는 어림 함수(rounding function)인 서브 모듈 분배 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상위 제어기는 상기 컨버터 밸브의 하나 이상을 관리하는 서브 모듈 분배 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 정상 서브 모듈은 정상 스위칭에 참여할 수 있는 서브 모듈인 서브 모듈 분배 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 고장 서브 모듈은 바이패스 상태, 동기 상태(locked state) 및 컨버터 밸브 타워 상의 공(vacant, 空) 슬롯인 서브 모듈을 포함하는 서브 모듈 분배 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 모든 변수의 첨자 i의 가치는 1에서 M까지인 서브 모듈 분배 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (3) 단계에서 상기 충전 방향은 서브 모듈 전압이 상승할 때의 브리지 암 전류의 방향이며, 상기 방전 방향은 상기 서브 모듈 전압이 하락할 때의 브리지 암 전류의 방향을 의미하는 서브 모듈 분배 제어 방법.
- 방향 결정 유닛과, 가중치 해결 유닛, 선별 스위치 유닛, 브리지 암 입력 계산 유닛 및 밸브 기반 제어 입력 계산 유닛을 포함하며 상기 방향 결정 유닛은 상기 획득 브리지 암 전류 에 따라 방향을 결정하며;
상기 가중치 해결 유닛은, 각 밸브 기반 제어기가 관리하는 정상 서브 모듈의 평균 전압 과 정상 서브 모듈의 수 및 상기 브리지 암 전류의 방향에 따라 각 관리 밸브 기반 제어기의 가중치(weight) B i 를 해결하며, 여기서, 상기 브리지 암 전류는 충전 방향, 일 때이며, 상기 브리지 암 전류는 방전 방향, 이며, 상기 선별 스위치 유닛은, 상기 방향 결정 유닛의 결정 결과에 따라 상기 관리된 밸브 기반 제어기의 상기 가중치 B i 를 선별하며, 상기 가중치를 상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛에 출력하며;
상기 밸브 기반 제어기 입력 계산 유닛은, 각 밸브 기반 제어기에 입력되는 서브 모듈의 수 =round를, 상기 브리지 암 입력 계산 유닛에 의해 계산되는, 상응하는 브리지 암에 입력되는 가중치 B i 와 전체 수 에 따라, 계산하며, 여기서, round(어림)는 어림 함수 (rounding function)인 서브 모듈 분배 제어 장치.
- 컨버터 밸브와 상위 제어기 및 밸브 기반 제어기를 포함하며, 상기 컨버터 밸브의 각 브리지 암의 모든 서브 모듈은 M그룹으로 그룹화되어 있고, 여기서 M ≥1이며, 상기 모든 서브 모듈은 고장 서브 모듈과 정상 서브 모듈을 포함하며, 각 그룹의 각 서브 모듈은 동 수이거나 동 수가 아닐 수 있으며, 각 그룹의 정상 서브 모듈은 그 수가 동적으로 변하도록 하며, 각 그룹은 하나의 밸브 기반 제어기에 상응하며, 각 밸브 기반 제어기는 별도로 작동하며, 상기 상위 제어기는 7항에서 정의하는 서브 모듈 분배 제어 장치를 포함하며, 입력 서브 모듈의 수를 계산하며, 그 수를 상기 밸브 기반 제어기에 전달하는 서브 모듈 분배 제어 시스템.
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