CN101795081A - 一种具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

一种具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器，由具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块(1)和低压输出级(5)组成。所述基本单元模块(1)可构成单相或三相四线输入，三相四线输出的电力电子变压器。所述基本单元模块(1)包括高压输入级(2)和隔离链接级(3)。高压输入级(2)由n级H桥型功率变换模块串联级联；隔离链接级(3)由具有n组输入绕组，一组输出绕组的中频或高频隔离变压器(4)链接n组H桥型DC-AC功率变换器、一组H桥型AC-DC功率变换器(8)组成。低压输出级(5)由三相四线连接在公共直流母线上的DC-AC电压源逆变器(10)组成。

Description

一种具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器。

背景技术

电力变压器是电力系统的基本组成设备。其突出优点是制作工艺简单、可靠性高、价格低廉；但是这种电力变压器仅能实现单一的电压等级变换、电能的隔离传递，但是由于铁磁元件的非线性造成了电网电压和电流的畸变产生谐波污染，而且不能维持次级电压恒定，不具备对电压、电流的连续调节和综合控制能力，不能实现与电网其他设备的互动，不能满足未来智能电网的要求。电力电子变压器是随着电力电子的技术进步而出现的一种新型智能化的可用于电力系统电能变换和传递的新型电力设备。自上个世纪70年代以来，国内外研究人员已经提出了多种具体的实施方案。如：美国GE公司首先提出了一种具有高频链接的AC/AC变换电路；2000年，在ABB公司的支持下，美国密苏里大学罗拉分校(University of Missouri Rolla)和普度大学(Purdue University)研制成功10kVA，单相7200V/240V电力电子变压器的实验样机；美国威斯康星大学麦迪逊分校(Universityof Wisconsin Madison)研制成功10kW，三相230V/230V的电力电子变压器实验样机。美国电力科学研究院(EPRI)在2001年提出“Intelligrid”(智能电网)的概念后，就已开始研究智能电网所需的智能配电设备技术，经过深入调研，就将基于现代电力电子技术的智能通用变压器(Intelligent Universal Transformer；IUT)作为其智能配电网中的重要研发工作之一，于2005年采用HV-IGBT研制出2.4kV，20kVA的智能通用变压器样机，2008年开始研制100kVA 15kV样机，目前正在进行中。其目标就是研制和推广使用智能通用变压器，取代目前广泛使用传统的配电电力变压器，使其成为未来智能电网的关键设备和组成部分。

中国专利ZL 02139030.4、ZL200510019091.4、ZL200910025824.3等电力电子变压器具有各自特点，但是这些实现方案中，级联主电路拓扑结构中均采用与高压输入级联个数同样个数的单一输入绕组、单一输出绕组的隔离变压器实现隔离链接及同样级数的低压输出级。这些结构的不足在于，在实现高电压输入情况下，给多级级联的电力电子变压器在控制、安装等工程实现过程增加了复杂度和制造成本。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器，本发明不仅可以实现一般传统电力变压器的功能，而且还能保障次级供电电压恒定，同时具备对电压电流的连续调节和综合控制能力，可以实现能量的双向流动以及与电网其他设备的互动，能够满足未来智能电网的需求。

本发明具有多输入绕组单输出绕组隔离链接变压器的电力电子变压器由m组具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块(1≤m≤3)和一组低压输出级组成。高压输入级，隔离链接级组成所述的电力电子变压器基本单元模块。一组基本单元模块和一组低压输出级可构建一台单相输入，三相四线输出的电力电子变压器。所述的基本单元模块用于构建三相输入的电力电子变压器时，三个基本单元模块拓扑结构相同并且独立。每个基本单元模块由高压输入级、隔离链接级组成。高压输入级采用n组H桥型功率转换模块级联(n为大于1的整数)。输入电压从高压输入级的H桥型AC-DC功率转换模块的交流电感的输入端输入，高压输入级H桥型功率AC-DC转换模块的直流输出端与隔离链接级中的H桥型DC-AC功率转换模块的直流输入端连接，隔离链接级中的H桥型AC-DC功率转换模块的直流输出端与低压输出级DC-AC的直流输入端连接。

高压输入级采用n组H桥型AC-DC功率转换模块级联，每个级联H桥型功率转换模块的交流输入侧串联连接一支交流输入电感，级联H桥型功率转换模块的直流输出侧并联连接一支直流储能电容器。隔离链接级由一组具有n组输入绕组，一组输出绕组的隔离变压器，n组H桥型DC-AC功率转换模块、一组H桥型AC-DC功率转换模块，以及直流侧储能电容器组成，H桥型DC-AC功率转换模块的个数与隔离变压器输入绕组的组数、高压输入级的H桥型AC-DC功率转换模块的级联个数相同。隔离变压器可为中频或高频变压器。低压输出级由一组连接在公共直流母线上的DC-AC功率转换模块组成，所述的DC-AC功率转换模块的输出端连接一组LC滤波器。

高压输入级中，级联第一级交流输入电感的一端连接高压输入相电压，高压输入相电压从级联第一级交流输入电感的一端输入，级联第一级交流输入电感的另一端连接级联第一级H桥型功率转换模块的一个交流输入端，级联第一级H桥型功率转换模块的另一个交流输入端连接级联第二级交流输入电感的一端，第二级交流输入电感的另一端连接级联第二级H桥型功率转换模块的一个交流输入端，级联第二级H桥型功率转换模块的另一个交流输入端连接级联第三级交流输入电感的一端，第三级交流输入电感的另一端连接级联第三级H桥型功率转换模块的一个交流输入端，级联第三级H桥型功率转换模块的另一个交流输入端连接级联第四级输入电感的一端，其余级联各级的连接方式与级联一级至三级相同，如此循环；最后一级级联的H桥型功率转换模块的另一交流输入端连接高压输入相电压的N相，所述N相为三相四线交流输入电压的中线或单相交流输入电压的零线。所述每一级联的H桥型功率转换模块的直流输出侧均并联一支直流储能电容，每一级联的H桥型功率转换模块的直流输出是高压输入级的输出。

隔离链接级由一组具有n组输入绕组和一组输出绕组的隔离变压器、n组H桥型DC-AC功率转换模块(n为大于1的整数)、一组H桥型AC-DC功率转换模块，以及直流侧储能电容器组成。隔离链接级中所述的H桥型DC-AC功率转换模块的直流输入端与高压输入级的H桥型功率转换模块的直流输出端相连接，所述的H桥型DC-AC功率转换模块的交流输出端连接隔离变压器的一组输入绕组，所述的H桥型DC-AC功率转换模块的级联个数、隔离变压器的输入绕组组数与高压输入级的H桥型功率转换模块的个数相等，隔离变压器的次级绕组连接一组所述的H桥型AC-DC功率转换模块的交流输入端，所述的H桥型AC-DC功率转换模块的直流输出端并联一支直流储能电容，所述的H桥型AC-DC功率转换模块的直流输出作为低压输出级的输入。

低压输出级中，DC-AC功率转换模块与隔离链接级中所述的H桥型AC-DC功率转换模块的直流输出母线连接，所述的DC-AC功率转换模块的三相输出端均串接一支交流输出滤波电感，交流输出滤波电感的另一端作为三相交流电压U、V、W输出；N相直接从所述的DC-AC功率转换模块引出，所述的DC-AC功率转换模块输出端U-N、V-N、W-N、均并联连接一支交流输出滤波电容。

所述的n为大于1的整数。

本发明所述的高压输入级的AC-DC功率转换模块、隔离链接级的DC-AC功率转换模块和低压输出级的AC-DC功率转换模块均采用单相全桥电路。

本发明电力电子变压器具有以下技术特点：

(1)可以实现传统电力变压器的变压、隔离、能量传递等基本功能；

(2)隔离链接级采用了具有N组输入绕组，一组输出绕组的隔离链接变压器，n组H桥型DC-AC功率转换模块(n为大于1的整数)、一组H桥型AC-DC功率转换模块结构，其隔离链接变压器次级低压AC-DC功率转换模块的直流输出可以采用并联或串联方式组成共用直流母线；

(3)能够实现功率的双向流动，具有改善电能质量，快速调节电压、电流的能力；

(4)在构建三相交流输入时，三组具有n组输入绕组，一组输出绕组的隔离链接变压器次级绕组的三个AC-DC功率转换模块直流输出母线可以采用并联连接或者串联连接的方式；

(5)通过组合可以实现单相到三相或者三相到三相的电能转换，是一种可以适应未来电网需求，满足不同电力能量转换需要的新型电力变压器结构，可以替代传统电力变压器。

附图说明

图1本发明具有单相交流输入，三相四线交流输出的电力电子变压器原理结构框图；

图2本发明实施例1具有三相四线交流输入，三相四线交流输出的电力电子变压器原理结构框图，隔离链接变压器次级三祖AC-DC功率转换模块的直流输出母线采用并联连接方式；

图3本发明实施例2具有三相四线交流输入，三相四线交流输出的电力电子变压器原理结构框图，隔离链接变压器次级三祖AC-DC功率转换模块的直流输出母线采用串联连接方式；

图中：1具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块，2高压输入级，3隔离链接级，4隔离链接变压器，5低压输出级，6-1、6-2，……6-n高压输入级的H桥型AC-DC功率转换模块，7-1、7-2……7-n H桥型DC-AC功率转换模块，8低压输出侧H桥型AC-DC功率转换模块，9低压输出侧直流母线储能电容，10低压输出级的DC-AC三相交流功率转换模块，L1、L2、……Ln高压输入级的交流输入电感，C1、C2、……Cn高压输入级功率转换模块直流输出侧母线储能电容，Lu低压输出级的功率转换模块U相交流输出滤波电感，Lv低压输出级的功率转换模块V相交流输出滤波电感，Lw低压输出级的W相功率转换模块交流输出滤波电感，Cu低压输出级的功率转换模块U-N相间并联滤波电容，Cv低压输出级的功率转换模块V-N相间并联滤波电容，Cw低压输出级的功率转换模块W-N相间并联滤波电容。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为本发明基本单元模块1，低压输出级5组成的单相输入，三相四线输出的电力电子变压器。

基本单元模块1由高压输入级2、隔离链接级3组成。高压输入级2采用n个H桥型AC-DC功率转换模块6-1、6-2，……6-n级联而成(n为大于1的整数)，每个H桥型AC-DC功率转换模块(6-1、6-2，……6-n)的交流输入侧连接一支交流输入电感(L1，L2，……Ln)(n为大于1的整数)，每个H桥型AC-DC功率转换模块的直流输出侧并联连接一支直流母线储能电容(C1，C2，……Cn)(n为大于1的整数)。级联第一级交流输入电感L1的一端连接A相高压输入电压，级联第一级交流输入电感L1的另一端连接级联第一级H桥型AC-DC功率转换模块6-1的一个交流输入端，级联第一级H桥型AC-DC功率转换模块6-1的另一个交流输入端连接级联第二级交流输入电感L2的一端，级联第二级交流输入电感L2的另一端连接级联第二级H桥型AC-DC功率转换模块6-2的一个交流输入端，级联第二级转换模块6-2的另一个交流输入端连接级联第三级交流输入电感L3的一端，级联第三级交流输入电感L3的另一端连接级联第三级H桥型AC-DC功率转换模块6-3的一个交流输入端，级联第三级H桥型AC-DC功率转换模块6-3的另一个交流输入端连接级联第四级交流输入电感L4的一端，其余级联各级的连接方式与级联一级至三级相同，如此循环。级联第n级H桥型AC-DC功率转换模块6-n(n为大于1的整数)的另一交流输入端连接高压输入电压N相。每一级级联H桥型AC-DC功率转换模块的直流输出是高压输入级的输出。隔离链接级3由一台具有n组输入绕组(n为大于1的整数)，一组输出绕组的隔离变压器、n组H桥型DC-AC功率转换模块(n为大于1的整数)、一组H桥型AC-DC功率转换模块8，以及输出侧直流母线储能电容器组成。第一级H桥型DC-AC功率转换模块7-1的直流输入端与高压输入级中的级联第一级H桥型AC-DC功率转换模块6-1的直流输出端相连接，所述的第一级H桥型DC-AC功率转换模块7-1的交流输出端连接隔离变压器4的第一组输入绕组，所述的第一级H桥型DC-AC功率转换模块7-1的级联个数、隔离变压器4的输入绕组组数与高压输入级所述的级联第一级H桥型功率转换模块6-1的个数相等。隔离变压器4的次级绕组连接H桥型AC-DC功率转换模块8的输入端，所述的H桥型AC-DC功率转换模块8的直流输出端并联一支输出侧直流母线储能电容9。所述的H桥型AC-DC功率转换模块8的直流输出是隔离链接级3的输出。低压输出级5中：低压输出级DC-AC功率转换模块10的输入与隔离链接级3H桥型AC-DC功率转换模块8的直流输出母线连接，低压输出级DC-AC功率转换模块10的三相四线交流输出电压：U相连接U相交流输出滤波电感Lu的一端，U相滤波电感Lu的另一端与N相之间并联一支U-N相间交流滤波电容Cu作为U相交流电压输出端，V相连接交流输出V相滤波电感Lv的一端，V相滤波电感Lv的另一端与N相之间并联一支V-N相间交流滤波电容Cv作为V相交流电压输出端，W相连接交流输出W相滤波电感Lw的一端，W相滤波电感Lw的另一端与N相之间并联一支W-N相间交流滤波电容Cw作为W相交流电压输出端，N相直接从DC-AC功率转换模块10引出。U、V、W、N是三相四线交流电压输出端。

图2为本发明实施例1具有三相四线交流输入，一组三相四线交流输出的电力电子变压器的实施结构图，在本实施例中，隔离链接变压器次级三组AC-DC功率转换模块的直流输出母线采用并联连接方式。如图2所示，具有三相四线交流输入，一组三相四线交流输出的电力电子变压器由三组具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块1，-组低压输出级5组成。1A为A相输入模块，1B为B相输入模块，1C为C相输入模块。所述的三个基本单元模块中，A相输入模块1A，B相输入模块1B，C相输入模块1C中的高压输入级2的输入侧采用Y型连接。A相输入模块1A，B相输入模块1B，C相输入模块1C三个基本单元模块的隔离链接级中，三个H桥型AC-DC功率转换模块8A、8B、8C的直流输出母线采用并联连接。A相输入模块1A的交流输入电感L1a的输入端连接A相高压交流输入电压、B相输入模块1B的交流输入电感L1b的输入端连接B相高压交流输入电压、C相输入模块1C交流输入电感L1c的输入端连接C相高压交流输入电压，所述的1A、1B、1C三个基本单元模块中的三个N相输入端相连并与高压输入N相连接，1A、1B、1C三个基本单元模块隔离链接级中H桥型AC-DC输出功率转换模块8A、8B、8C的直流输出U+端相连、U-端相连，构成隔离链接级输出侧公共直流母线。低压输出级5中DC-AC功率转换模块10的直流输入端与公共直流母线连接。所述的DC-AC功率转换模块10的三相四线输出端是电力电子变压器的低压侧交流输出。

图3为本发明实施例2具有三相四线交流输入，一组三相四线交流输出的电力电子变压器的实施结构图，在本实施例中，隔离链接变压器次级三祖AC-DC功率转换模块的直流输出母线采用串联连接方式。图3所示，具有三相四线交流输入，一组三相四线交流输出的电力电子变压器由三组具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块1，一组低压输出级5组成。1A为A相输入模块，1B为B相输入模块，1C为C相输入模块。所述的三个基本单元模块中，A相输入模块1A，B相输入模块1B，C相输入模块1C的高压输入级2的输入侧采用Y型连接，A相输入模块1A，B相输入模块1B，C相输入模块1C三个基本单元模块的隔离链接级3中，三个H桥型AC-DC功率转换模块8A、8B、8C的直流输出母线采用串联连接。A相输入模块1A的交流输入电感L1a的输入端连接A相高压交流输入电压、B相输入模块1B的交流输入电感L1b的输入端连接B相高压交流输入电压、C相输入模块1C的交流输入电感L1c的输入端连接C相高压交流输入电压，所述的三个基本单元模块1A、1B、1C中三个N相输入端相连并与高压输入N相连接，基本单元模块1A的隔离链接级中A相H桥型AC-DC功率转换模块8A的直流输出U+端作为公共直流母线的输出正端，所述基本单元模块1A隔离链接级A相H桥型AC-DC功率转换模块8A的直流输出U-端与B相模块1B单元模块隔离链接级B相H桥型AC-DC功率转换模块8B的直流输出U+端相连，所述基本单元模块1B的隔离链接级B相H桥型AC-DC功率转换模块8B的直流输出U-端与基本单元模块1C的隔离链接级C相H桥型AC-DC功率转换模块8C的直流输出U+端相连，基本单元模块1C隔离链接级C相H桥型AC-DC功率转换模块8C的直流输出U-端作为公共直流母线的输出负端。低压输出级5中DC-AC功率转换模块10的直流输入端与公共直流母线连接。所述A相中功率转换模块8A的直流输出U+端与C相中功率转换模块8C的直流输出U-端构成公共直流母线的输出端。低压输出级5中DC-AC功率转换模块10的三相四线输出端是电力电子变压器的低压侧交流电压输出。

本发明所述的高压输入级2中的AC-DC功率转换模块6-1、隔离链接级3中的DC-AC功率转换模块7-1、AC-DC功率转换模块8，低压输出级5中的AC-DC功率转换模块8均采用单相全桥电路。

Claims (5)

1.一种具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器，其特征在于：所述的电力电子变压器由m组具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块(1)，1≤m≤3，以及低压输出级(5)组成；所述的具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块(1)由高压输入级(2)和隔离链接级(3)组成；高压输入级(2)包括级联的n组相同的H桥型功率转换模块(6-1，6-2，……6-n)和交流输入电感(L1，L2，……Ln)，每一组H桥型功率转换模块的交流输入侧串联一支交流输入电感，每组H桥型功率转换模块的直流输出侧并联一支直流母线储能电容；隔离链接级(3)由一组具有n组输入绕组，一组输出绕组的隔离变压器(4)、n组级联的H桥型DC-AC功率转换模块(7-1、7-2、……7-n)、一组H桥型AC-DC功率转换模块(8)，以及输出侧直流母线储能电容器(9)组成；所述的第一级H桥型DC-AC功率转换模块(7-1)的直流输入端与高压输入级(2)中的级联第一级H桥型功率转换模块(6-1)的直流输出端相连接，所述的第一级H桥型DC-AC功率转换模块(7-1)的交流输出端连接隔离链接变压器(4)的一组输入绕组，所述的第一级H桥型DC-AC功率转换模块(7-1)的级联个数、隔离链接变压器(4)的输入绕组的组数与高压输入级(2)中的H桥型功率转换模块的个数相等；隔离链接变压器(4)的次级绕组连接H桥型AC-DC功率转换模块(8)的输入端，所述的H桥型AC-DC功率转换模块(8)的直流输出端并联一支输出侧直流母线储能电容(9)；低压输出级(5)的输入端并联在所述的H桥型AC-DC功率转换模块(8)的直流输出母线上，低压输出级(5)的输出端连接LC滤波器；所述的n为大于1的整数。

2.如权利要求1所述的具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器，其特征在于所述的高压输入级(2)中，级联第一级交流输入电感(L1)的一端连接高压输入相电压A线，级联第一级交流输入电感(L1)的另一端连接级联第一级H桥型功率转换模块(6-1)的一个交流输入端，级联第一级H桥型功率转换模块(6-1)的另一个交流输入端连接级联第二级交流输入电感(L2)的一端，交流输入电感(L2)的另一端连接级联第二级H桥型功率转换模块(6-2)的一个交流输入端，级联第一级H桥型转换模块(6-2)的另一个交流输入端连接级联第三级交流输入电感(L3)的一端，级联第三级交流输入电感(L3)的另一端连接级联第三级H桥型功率转换模块(6-3)的一个交流输入端，级联第三级H桥型功率转换模块(6-3)的另一个交流输入端连接级联第四级交流输入电感(L4)的一端，其余级联各级的连接方式与级联一级至三级相同，如此循环；级联第n级H桥型功率转换模块(6-n)的另一交流输入端连接高压输入电压N相；级联H桥型功率转换模块每一级的直流输出是高压输入级的输出。

3.如权利要求1所述的具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器，其特征在于所述的低压输出级(5)中：低压输出级DC-AC功率转换模块(10)的输入与隔离链接级(3)的H桥型AC-DC功率转换模块(8)的直流输出母线连接，低压输出级中DC-AC功率转换模块(10)的三相四线交流输出电压：U相连接U相交流输出滤波电感(Lu)的一端，U相交流滤波电感(Lu)的另一端与N相之间并联一支U-N相间交流滤波电容(Cu)作为U相交流电压输出端，V相连接交流输出V相交流滤波电感(Lv)的一端，V相交流滤波电感(Lv)的另一端与N相之间并联一支V-N相间交流滤波电容(Cv)作为V相交流电压输出端，W相连接交流输出W相交流滤波电感(Lw)的一端，W相交流滤波电感(Lw)的另一端与N相之间并联一支W-N相间交流滤波电容(Cw)作为W相交流电压输出端，N相直接从DC-AC功率转换模块(10)引出；U、V、W、N为三相四线交流电压输出端。

4.如权利要求1所述的具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器，其特征在于，三组所述的具有多输入绕组单输出绕组隔离变压器链接的电力电子变压器基本单元模块(1)，一组低压输出级(5)组成具有三相四线交流输入，三相四线交流输出的电力电子变压器；三个基本单元模块(1)中，A相模块(1A)、B相模块(1B)和C相模块(1C)的高压输入级(2)的输入侧采用Y型连接；A相模块(1A)、B相模块(1B)和C相模块(1C)的隔离链接级(3)中三个H桥型AC-DC功率转换模块(8A、8B、8C)的直流输出母线并联连接；A相模块(1A)中，交流输入电感L1a的输入端连接A相高压交流输入电压；B相模块(1B)中，交流输入电感L1b的输入端连接B相高压交流输入电压；C相模块(1C)中，交流输入电感L1c的输入端连接C相高压交流输入电压；所述的A相、B相和C相三个基本单元模块(1A、1B、1C)中的三个N相输入端相连，并与N相高压输入端连接；所述的三个H桥型AC-DC功率转换模块(8A、8B、8C)的直流输出U+端相连、U-端相连，构成隔离链接级(3)的输出侧公共直流母线；所述的低压输出级(5)中的DC-AC功率转换模块(10)的直流输入端与所述的隔离链接级(3)输出侧公共直流母线连接；所述的DC-AC功率转换模块(10)的三相四线输出端为电力电子变压器的低压侧交流输出。

5.一种如权利要求4所述的具有多绕组隔离变压器的电力电子变压器，其特征在于所述的A相基本单元模块(1A)的隔离链接级(3)中A相H桥型AC-DC功率转换模块(8A)的直流输出U+端作为公共直流母线的输出正端，所述的A相H桥型AC-DC功率转换模块(8A)的直流输出U-端与B相基本单元模块(1B)的隔离链接级(3)的B相H桥型AC-DC功率转换模块(8B)的直流输出U+端相连，所述的B相H桥型AC-DC功率转换模块(8B)的直流输出U-端与C相基本单元模块(1C)的隔离链接级(3)中的C相H桥型AC-DC功率转换模块(8C)的直流输出U+端相连，所述的C相H桥型AC-DC功率转换模块(8C)的直流输出U-端作为公共直流母线的输出负端；所述功率转换模块(8A)的直流输出U+端与功率转换模块(8C)的直流输出U-端共同组成隔离链接级(3)输出侧公共直流母线；低压输出级(5)中的DC-AC功率转换模块(10)的直流输入端与所述的输出侧公共直流母线连接；所述的DC-AC功率转换模块(10)的三相四线输出端为电力电子变压器的低压侧交流输出。

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