CN102158112A - 一种模块化多电平变换器的综合控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器的综合控制系统及其方法，是通过检测模块化多电平变换器上、下桥臂各子模块电容电压，上、下桥臂电流，以及交流侧电源电压，经过一个总控制器运算处理后得到上、下桥臂PWM公共占空比；上、下桥臂各子模块电容电压与上述上、下桥臂PWM公共占空比经过上、下桥臂控制器运算处理，得到上、下桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PWM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现变换器各子模块电容电压平衡控制和变换器的电流、电压控制。本发明不需要使用电容器专用充放电功率电路；适用于各种PWM方式；可以灵活的控制环流，满足特殊需要；物理意义明确，理论依据充分。

Description

一种模块化多电平变换器的综合控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平变换器的综合控制系统及其方法，属于多电平电力电子功率变换器的控制技术领域。

背景技术

模块化多电平变换器拓扑采用级联式、模块化构造，无需功率器件直接串联便可得到多电平的阶梯电压，具有较低的dU/dt和较低的电压谐波含量，在中/高压大容量系统中具有广阔的应用前景。该变换器拓扑结构如图1所示，图中，上桥臂和下桥臂各有N个子模块级联而成，各子模块为半桥结构，子模块直流侧并联有相同的电容器。由于模块化多电平变换器的各子模块直流侧电容处于悬浮状态，运行时各子模块电容会出现充放电差异，因此会导致电容电压的不平衡问题。电容电压不平衡会直接威胁变换器的安全运行，因此该问题能否有效解决是模块化多电平变换器安全、可靠运行的关键。

在《中国电机工程学报》2004年第24卷第4期145-150页刊登的“基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制”一文(作者刘文华等)对级联式静止同步补偿器的直流侧子模块电容平衡控制方法进行了研究，提出了采用在各子模块直流侧外加专用功率电路，通过控制直流侧电容器的充放电来实现电容电压平衡控制。但该方法需要额外增加外部复杂的专用功率电路，成本高、体积大、控制复杂。

在《中国电机工程学报》2009年第29卷第30期1-6页刊登的“新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略”一文(作者丁冠军等)提出了基于软件排序进行电容电压平衡控制的方法，该方法采用对各子模块直流侧电容电压的大小进行比较、排序，再根据桥臂功率(或电流)方向，决定各个子模块的投切状态。当桥臂吸收功率时，投入电压最低的子模块；反之，当桥臂发出功率时，投入电压最高的子模块。这种方法对脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)方式有特殊要求，不适合于在多电平变换器中被普遍采用的载波移相式PWM方式。

公开号为CN1767345A的中国专利公开的《一种混合箝位型多电平变换器拓扑》中，提出了一种通过有源器件和无源器件共同实现箝位的多电平拓扑，可以不需要附加电路实现中点电位平衡，解决了传统多电平拓扑在高电平数情况下的电容电压平衡难以实现的问题。但公开号为CN1767345A的中国专利公开的《一种混合箝位型多电平变换器拓扑》属于功率器件直接串联结构的箝位型多电平拓扑结构，与图1所示的模块化多电平拓扑并不属于同一种类型的多电平变换器拓扑，两种拓扑结构存在本质区别，因此，该箝位型多电平变换器拓扑的电容电压平衡技术不适合于图1所示的模块化多电平拓扑，并没有解决模块化多电平变换器各子模块电容电压的平衡问题。

公开号为CN101546964A的中国专利公开的《模块组合型多电平变换器》中，公开了一种组合型多电平变换器拓扑，提出通过使用功率单元的串并联实现一种可用于中高压大功率场合的变换器拓扑。但公开号为CN101546964A的中国专利公开的《模块组合型多电平变换器》仅仅是公开了一种组合型多电平变换器拓扑，并没有解决模块化多电平变换器各子模块电容电压的平衡问题。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提出一种模块化多电平变换器的综合控制系统及其方法，以解决该变换器的各子模块电容电压的平衡问题以及控制问题。该方法从功率平衡的角度，其基本思想是，通过调节该变换器的总有功功率，实现该变换器的上、下桥臂总电容电压的平衡控制；通过调节上、下桥臂之间的有功功率分配，实现上、下桥臂之间的电容电压平衡控制；通过微调同一桥臂上各子模块之间的有功功率分配，实现同一桥臂上各子模块之间的电容电压平衡控制。该方法不仅实现了各子模块电容电压平衡控制，而且也实现了变换器的电流、电压控制，是一种模块化多电平变换器的综合控制方法，物理意义明确，不需要使用电容器专用充放电功率电路，适用于各种PWM方式。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模块化多电平变换器的综合控制方法，通过检测模块化多电平变换器上、下桥臂各子模块电容电压，上、下桥臂电流，以及交流侧电源电压，经过一个总控制器运算处理后得到上、下桥臂PWM公共占空比；上、下桥臂各子模块电容电压与上述上、下桥臂PWM公共占空比经过上、下桥臂控制器运算处理，得到上、下桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PWM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电容电压平衡控制和变换器的电流、电压控制。

它的具体步骤为：

(1)通过检测模块化多电平变换器上桥臂各N个子模块电容电压，得到上桥臂N个子模块电容电压检测值u_ap1、u_ap2、...和u_apN，通过求平均值单元A，得到上桥臂子模块平均电容电压

通过检测模块化多电平变换器下桥臂各N个子模块电容电压，得到下桥臂N个子模块电容电压检测值u_an1、u_an2、...和u_anN，通过求平均值单元B，得到下桥臂子模块平均电容电压

将上述上桥臂子模块平均电容电压

和下桥臂子模块平均电容电压

送入到求平均值单元C，得到上和下桥臂总平均电容电压

(2)通过检测交流侧电源电压u_sa，经过归一化单元A处理，得到相应单位幅值电源电压u_sau；

(3)将总平均电容电压与电压参考u_dc ^*送入到总电容电压控制器处理，得到总电容电压控制电流i_θ ^*；

(4)将上桥臂子模块和下桥臂子模块平均电容电压

和

送入到上/下桥臂平衡控制器进行处理，得到的输出值I_ACM与单位幅值电源电压u_sau经乘法器I相乘后得到上/下桥臂平衡调整电流Δi_AC，即Δi_AC＝I_ACM·u_sau；

(5)将交流侧电源参考电流i_sa ^*、i₀ ^*、Δi_AC和环流单元产生的电流

送入运算单元A得到上桥臂参考电流

即

(6)将交流侧电源参考电流i_sa ^*、i₀ ^*、Δi_AC和环流单元产生的电流送入运算单元B得到下桥臂参考电流即

(7)将上桥臂电流检测值i_ap与参考电流送入到电流控制器AP处理，得到上桥臂PWM公共占空比d_ap；

(8)将下桥臂电流检测值i_an与参考电流

送入到电流控制器AB处理，得到下桥臂PWM公共占空比d_an；

(9)将上桥臂电流检测值i_ap送入归一化单元AP处理，得到上桥臂单位幅值电流i_apu；将下桥臂电流检测值i_an送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_anu；

(10)将

与上桥臂第j个子模块电容电压检测值u_apj，其中，j＝1，2，...，N-1，送入到上桥臂第j个子模块微调控制器APj进行处理，微调控制器APj的输出D_mpj经过对应的乘法器APj与i_apu相乘后再经过对应的加法器APj与上桥臂PWM公共占空比d_ap相加，得到上桥臂第j个子模块PWM占空比d_apj；

(11)将N-1个上桥臂微调控制器AP1、微调控制器AP2、...和微调控制器AP(N-1)的输出D_mp1、D_mp2、...和D_mpN1经过加法器AP求和后经反号器AP反向得到D_mpN，再与i_apu经乘法器APN相乘，然后与上桥臂PWM公共占空比d_ap相加，得到上桥臂第N个子模块PWM占空比d_apN；

(12)将与下桥臂第j个子模块电容电压检测值u_anj，其中j＝1，2，...，N-1，送入到下桥臂第j个子模块微调控制器ANj进行处理，微调控制器ANj的输出D_mnj经过对应的乘法器ANj与i_anu相乘后再经过对应的加法器ANj与下桥臂PWM公共占空比d_an相加，得到下桥臂第j个子模块PWM占空比d_anj；

(13)将N-1个下桥臂微调控制器AN1、微调控制器AN2、...和微调控制器AN(N-1)的输出D_mn1、D_mn2、...和D_mnN-1经过加法器AN求和后经反号器AN反向得到D_mnN，再与i_anu经乘法器ANN相乘，然后与下桥臂PWM公共占空比d_an相加，得到下桥臂第N个子模块PWM占空比d_anN；

(14)将各子模块PWM占空比d_ap1、d_ap2、…和d_apN及d_n1、d_an2、…和d_anN送入到PWM发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。

所述步骤(2)中，通过检测交流侧电源电压u_sa，采用公知的锁相技术，得到与u_sa同频同相的单位幅值正弦函数，代替单位幅值电源电压u_sau。

所述步骤(9)中，用上桥臂参考电流

代替上桥臂电流检测值i_ap，用下桥臂参考电流

代替下桥臂电流检测值i_an；即，将上桥臂参考电流送入归一化单元AP处理，得到上桥臂单位幅值电流i_apu；将下桥臂参考电流

送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_anu。

所述步骤(5)和(6)中，环流单元产生的电流

满足

和其中，T表示交流侧电源电压周期，

的幅值由交流侧电源参考电流i_sa ^*大小决定。

所述步骤(5)和(6)中，当模块化多电平变换器直流母线外接负载而不是直流电源时，需要增加直流母线电压闭环控制器，该控制器的输出控制交流侧电源参考电流i_sa ^*的有功分量幅值，该控制器的输入来自直流母线电压检测值和直流母线电压参考值。

一种模块化多电平变换器的综合控制系统，它包括M相模块化多电平变换器，每一相模块化多电平变换器与各自的综合控制装置连接，各综合控制装置则与M相PWM信号发生器连接；其中，所述各综合控制装置结构相同，包括上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器；每一相的模块化多电平变换器输出端分别与上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出上桥臂PWM公共占空比d_ap到上桥臂控制器，输出下桥臂PWM公共占空比d_an到下桥臂控制器；上桥臂控制器和下桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。

所述总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B，它们的输入端与模块化多电平变换器输出端连接，输出端则分别与求平均值单元C和上/下桥臂平衡控制器连接，求平均值单元C得输出端与总电容电压控制器连接，上/下桥臂平衡控制器输出端与乘法器I连接，乘法器I还与归一化单元AN连接；总电容电压控制器和乘法器I均分别与运算单元A、运算单元B连接，同时环流单元也与运算单元A、运算单元B连接；运算单元A、运算单元B分别与对应的电流控制器AN、电流控制器AP连接；子模块直流侧电容参考电压送入总电容电压控制器输入端；模块化多电平变换器的相电源电压送入归一化单元AN；下桥臂相电流送入电流控制器AN。

所述上桥臂控制器和下桥臂控制器结构相同，其中：

所述上桥臂控制器包括与各上桥臂N个子模块电容电压检测值u_ap1、u_apj、…和u_apN对应的微调控制器AP1、微调控制器APj、…微调控制器AP(N-1)；各微调控制器AP输出端分别与对应的乘法器AP1、乘法器APj、…乘法器AP(N-1)连接；同时各微调控制器AP输出端还与加法器AP连接，加法器AP依次与反号器AP、乘法器APN连接，各乘法器AP的输出端与相应的加法器AP1、…加法器APj、…加法器AP(N-1)、…加法器APN连接；上桥臂电流检测值i_ap送入归一化单元AP，归一化单元AP与各乘法器AP1、…乘法器APN连接；

所述下桥臂控制器包括与各下桥臂N个子模块电容电压检测值u_an1、u_anj、…和u_anN对应的微调控制器AN1、微调控制器ANj、…微调控制器AN(N-1)；各微调控制器AN输出端分别与对应的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-1)连接；同时各微调控制器AN输出端还与加法器AN连接，加法器AN依次与反号器AN、乘法器ANN连接，各乘法器AN的输出端与相应的加法器AN1、…加法器ANj、……加法器AN(N-1)、…加法器ANN连接；下桥臂电流检测值i_an送入归一化单元AN，归一化单元AN与各乘法器AN1、…乘法器ANN连接。

本发明的理论依据是：

由图2所示的单相模块化多电平变换器可知，设交流侧电源电压为u_sa，交流侧电源电流为i_sa，上、下桥臂的各子模块输出总电压开关周期平均值分别为u_ap、u_an，上、下桥臂的电流分别为i_ap、i_an，交流侧电源吸收的功率为P_AC，直流母线发出的有功功率为P_DC，上、下桥臂各子模块吸收的总有功功率分别为P_ap、P_an，设交流侧电源周期为T。

稳态时，如果忽略假设电感L的影响，则电压关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ap}}\≈\frac{U_d}{2}-u_{\mathrm{sa}}\\ u_{\mathrm{an}}\≈\frac{U_d}{2}+u_{\mathrm{sa}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

电流关系为：

i_sa＝i_ap+i_an                        (2)

将电流i_ap和i_an做如下分解

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ap}}=i_{\mathrm{apAC}}+i_0\\ i_{\mathrm{an}}=i_{\mathrm{anAC}}-i_0\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，i_apAC、i_anAC和i₀满足下式，

$\left\{\begin{array}{c}{\∫}_0^T{U}_d{i}_{\mathrm{apAC}}\mathrm{dt}=0\\ {\∫}_0^T{U}_d{i}_{\mathrm{apnAC}}\mathrm{dt}=0\\ {\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}{i}_0\mathrm{dt}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

由能量守恒定律可得功率关系：

P_DC＝P_AC+P_ap+P_an                    (5)

其中

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{AC}}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}{i}_{\mathrm{sa}}\mathrm{dt}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}(i_{\mathrm{apAC}}+i_{\mathrm{anAC}})\mathrm{dt}\\ P_{\mathrm{DC}}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{U_d}{2}{i}_{\mathrm{ap}}\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{U_d}{2}{i}_{\mathrm{an}}\mathrm{dt}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{U}_d{i}_0\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ap}}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{ap}}{i}_{\mathrm{ap}}\mathrm{dt}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{U_d}{2}{i}_d\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}{i}_{\mathrm{apAC}}\mathrm{dt}\\ P_{\mathrm{an}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{an}}{i}_{\mathrm{an}}\mathrm{dt}=-\frac{1}{T}{\∫}_0^T\frac{U_d}{2}{i}_0\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}{i}_{\mathrm{anAC}}\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(6)可以看出，通过调整电流i_θ中的直流成分，即可调整直流母线发出的有功功率P_DC，进而调节上和下桥臂子模块吸收的有功功率总和(P_ap+P_an)，从而调整全桥臂各子模块总电容电压或平均值大小。

由式(7)可以看出，通过调整电流i_apAC或i_anAC中的有功电流成分(即与电源电压u_sa同频、同相或同形状的电流成分)，即可调节上、下桥臂子模块吸收的有功功率P_ap和P_an之间的分配，从而调整上、下桥臂之间的各子模块总电容电压的均衡。由式(7)可得P_ap和P_an之差为

$P_{\mathrm{ap}}-P_{\mathrm{an}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}(i_{\mathrm{apAC}}-i_{\mathrm{apAC}})\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AC}}\mathrm{dt}---\left(8\right)$

式中Δi_AC为与电源电压u_sa同频、同相或同形状的电流成分，有

Δi_AC＝i_apAC-i_anAC                            (9)

结合式(2)和(3)可到

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{apAC}}=\frac{1}{2}(i_{\mathrm{sa}}+\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AC}})\\ i_{\mathrm{anAC}}=\frac{1}{2}(i_{\mathrm{sa}}-\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AC}})\end{array}\right.---\left(10\right)$

由于实际中各子模块之间会存在各种差异，也会出现同一桥臂上各子模块之间的电容电压平衡问题，为此可采用微调各子模块有功功率的方法实现其电容电压平衡控制。

为了达到上述的调节上和下桥臂子模块吸收的总有功功率、上和下桥臂子模块吸收的有功功率之差，以及各子模块的有功功率的目的，本发明采用上、下桥臂电流直接反馈控制、总电容电压平均值反馈控制、上和下桥臂总电容平均值之差反馈控制以及各子模块电容电压反馈控制的多闭环控制。具体方案是：

1)上、下桥臂电流直接反馈控制通过电流控制器实现上、下桥臂电流的快速控制，其控制器的输出分别产生上、下桥臂PWM公共占空比d_ap和d_an，其输入为由运算单元计算产生的上、下桥臂参考电流i_ap ^*和i_an ^*，以及检测电流i_ap和i_an。

2)总电容电压平均值反馈控制通过总电容电压控制器实现各子模块总电容电压平均值的闭环控制，其控制器输出为电流i_θ中的直流电流成分

有

$i_0=i_0^{*}+i_{\mathrm{aL}}^{*}---\left(11\right)$

式中

表示非直流并且满足式(4)的电流(可以为0)，这里称其为环流，即

满足下列关系。

$\left\{\begin{array}{c}{\∫}_0^T{U}_d{i}_{\mathrm{aL}}^{*}\mathrm{dt}=0\\ {\∫}_0^T{u}_{\mathrm{sa}}{i}_{\mathrm{aL}}^{*}\mathrm{dt}=0\end{array}\right.---\left(12\right)$

3)上和下桥臂总电容平均值之差反馈控制通过上/下桥臂平衡控制器实现上和下桥臂总电容电压平均值之间的均衡控制，其控制器输出为电流Δi_AC的幅值I_ACM，有

Δi_AC＝I_ACM·u_sau                    (13)

式中，u_sau表示单位幅值的电源电压u_sa，可由u_sa经过归一化得到，也可以是与u_sa同频同相的单位幅值正弦函数。

4)设i_sa ^*为电流i_sa的参考信号，综上所述可得上、下桥臂电流控制器的参考电流i_ap ^*和i_an ^*为

$\left\{\begin{array}{c}{i_{\mathrm{ap}}}^{*}=\frac{1}{2}({i_{\mathrm{sa}}}^{*}+\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AC}})+{i_0}^{*}+{i_{\mathrm{aL}}}^{*}\\ {i_{\mathrm{an}}}^{*}=\frac{1}{2}({i_{\mathrm{sa}}}^{*}-\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{AC}})-{i_0}^{*}-{i_{\mathrm{aL}}}^{*}\end{array}\right.---\left(14\right)$

5)各子模块电容电压反馈控制可通过子模块电容电压微调控制器实现同一桥臂各子模块之间的电容电压平衡控制，第j个微调控制器的输出为子模块PWM占空比微调量Δd_apj(或Δd_anj)的幅值D_mpj(或D_mnj)，单位幅值的i_ap(或i_ap ^*)和i_an(或i_an ^*)分别用i_apu和i_anu表示，二者经过i_ap(或i_ap ^*)和i_an(或i_an ^*)的归一化得到，则第j个子模块PWM占空比微调量Δd_apj(或Δd_anj)为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{apj}}=D_{\mathrm{mpj}}\·i_{\mathrm{apu}}\\ \mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{anj}}=D_{\mathrm{mnj}}\·i_{\mathrm{anu}}\end{array}\right.,$ j＝1，2，...，N            (15)

微调量Δd_apj和Δd_anj分别与上、下桥臂PWM公共占空比d_ap和d_an叠加后，即可得到第j个子模块的PWM公共占空比d_apj和d_anj，即

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{apj}}=d_{\mathrm{ap}}{+\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{apj}}\\ d_{\mathrm{anj}}=d_{\mathrm{an}}+\mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{anj}}\end{array}\right.,$ j＝1，2，...，N            (16)

再经过PWM信号发生器产生PWM控制信号。

同一桥臂各子模块之间的电容电压微调控制，其目的是微调各子模块之间的功率分配，这就要求桥臂电流幅值不能过小。适当的加入环流可以解决变换器处于空载或轻载时桥臂电流幅值过小的问题。可以根据isa*的大小来决定加入环流

的大小。

6)当模块化多电平变换器直流母线外接负载而不是直流电源时，需要增加直流母线

电压闭环控制器，该控制器的输出控制交流侧电源参考电流i_sa ^*有功分量的幅值。

上述本发明的一种模块化多电平变换器的综合控制方法不仅可以实现各子模块电容电压的平衡控制，而且可以实现变换器的电流、电压控制。

本发明的有益效果是：

1)不需要额外的电容器充放电专用电路；

2)适用于各种PWM方式；

3)在实现模块化多电平变换器各模块电容电压平衡控制的同时，也实现了变换器的电流、电压控制，是一种模块化多电平变换器的综合控制方法；

4)可以灵活的控制环流，满足特殊需要；

5)物理意义明确，理论依据充分。

附图说明

图1是典型的模块化多电平变换器三相拓扑结构示意图。

图2是模块化多电平变换器单相拓扑结构及本发明的总控制原理图。

图3是本发明的控制原理图中总控制器的控制原理图。

图4是本发明的控制原理图中上桥臂控制器的控制原理图。

图5是本发明的控制原理图中下桥臂控制器的控制原理图。

图6是本发明应用于多相模块化多电平变换器的控制系统原理图。

其中，1、总控制器，2、上桥臂控制器，3、下桥臂控制器，4、模块化多电平变换器，5、PWM信号发生器，6、综合控制系统单元，7、M相PWM信号发生器，8、M相模块化多电平变换器，9、综合控制系统单元1，10、综合控制系统单元k，11、综合控制系统单元M，1-1、求平均值单元A，1-2、求平均值单元B，1-3、求平均值单元C，1-4、上/下桥臂平衡控制器，1-5、归一化单元AN，1-6、总电容电压控制器，1-7、乘法器I，1-8、运算单元A，1-9、运算单元B，1-10、电流控制器AN，1-11、电流控制器AP，1-12、环流单元，2-1、微调控制器AP1，2-2、微调控制器APj，2-3、微调控制器AP(N-1)，2-4、归一化单元AP，2-5、乘法器AP1，2-6、乘法器APj，2-7、乘法器AP(N-1)，2-8、加法器AP1，2-9、加法器APj，2-10、加法器AP(N-1)，2-11、加法器AP，2-12、反号器AP，2-13、乘法器APN，2-14、加法器APN，3-1、微调控制器AN1，3-2、微调控制器ANj，3-3、微调控制器AN(N-1)，3-4、归一化单元AN，3-5、乘法器AN1，3-6、乘法器ANj，3-7、乘法器AN(N-1)，3-8、加法器AN1，3-9、加法器ANj，3-10、加法器AN(N-1)，3-11、加法器AN，3-12、反号器AN，3-13、乘法器ANN，3-14、加法器ANN，4-1、正直流母线，4-2、负直流母线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1给出了典型的模块化多电平变换器三相拓扑结构示意图。每相上/下桥臂各有N个子模块构成，每个子模块的结构如图1所示。

图2-6中，一种模块化多电平变换器的综合控制系统，它包括M相模块化多电平变换器8，每一相模块化多电平变换器4与各自的综合控制装置连接，各综合控制装置则与M相PWM信号发生器7连接；其中，所述各综合控制装置结构相同，包括上桥臂控制器2、总控制器1和下桥臂控制器3；每一相的模块化多电平变换器4输出端分别与上桥臂控制器2、总控制器1和下桥臂控制器3输入端连接；总控制器1的输出端分别输出上桥臂PWM公共占空比d_ap到上桥臂控制器2，输出下桥臂PWM公共占空比d_an到下桥臂控制器3；上桥臂控制器2和下桥臂控制器3输出端与对应相的PWM信号发生器5连接。模块化多电平变换器4的上桥臂和下桥臂分别与正直流母线4-1和负直流母线4-2连接。

所述总控制器1包括求平均值单元A1-1、求平均值单元B1-2，它们的输入端与模块化多电平变换器4输出端连接，输出端则分别与求平均值单元C1-3和上/下桥臂平衡控制器1-4连接，求平均值单元C1-3的输出端与总电容电压控制器1-6连接，上/下桥臂平衡控制器1-4输出端与乘法器I1-7连接，乘法器I1-7还与归一化单元AN1-5连接；总电容电压控制器1-6和乘法器I1-7均分别与运算单元A1-8、运算单元B1-9连接，同时环流单元1-12也与运算单元A1-8、运算单元B1-9连接；运算单元A1-8、运算单元B1-9的输出分别与对应的电流控制器AN1-10、电流控制器AP1-11连接；子模块直流侧电容参考电压送入总电容电压控制器1-6输入端；模块化多电平变换器4的相电源电压送入归一化单元AN1-5；上桥臂电流送入电流控制器AP1-11，下桥臂电流送入电流控制器AN1-10。

所述上桥臂控制器2和下桥臂控制器3结构相同，其中：

所述上桥臂控制器2包括与各上桥臂N个子模块电容电压检测值u_ap1、u_apj、…和u_apN对应的微调控制器AP12-1、微调控制器APj2-2、…微调控制器AP(N-1)2-3；各微调控制器AP输出端分别与对应的乘法器AP12-5、乘法器APj2-6、…乘法器AP(N-1)2-7连接；同时各微调控制器AP输出端还与加法器AP2-11连接，加法器AP2-11依次与反号器AP2-12、乘法器APN2-13连接，各乘法器AP的输出端与相应的加法器AP12-8、…加法器APj2-9、…加法器AP(N-1)2-10、…加法器APN2-14连接；上桥臂电流检测值i_ap送入归一化单元AP2-4，归一化单元AP2-4与各乘法器AP12-5、…乘法器APN2-13连接；

所述下桥臂控制器3包括与各下桥臂N个子模块电容电压检测值u_an1、u_anj、…和u_anN对应的微调控制器AN13-1、微调控制器ANj3-2、…微调控制器AN(N-1)3-3；各微调控制器AN输出端分别与对应的乘法器AN13-5、乘法器ANj3-6、…乘法器AN(N-1)3-7连接；同时各微调控制器AN输出端还与加法器AN3-11连接，加法器AN3-11依次与反号器AN3-12、乘法器ANN3-13连接，各乘法器AN的输出端与相应的加法器AN13-8、…加法器ANj3-9、……加法器AN(N-1)3-10、…加法器ANN3-14连接；下桥臂电流检测值i_an送入归一化单元AN3-4，归一化单元AN3-4与各乘法器AN13-5、…乘法器ANN3-13连接。

其中，

表示模块化多电平变换器正直流母线电压，

表示负直流母线电压，M pj、Mnj分别表示上、下桥臂第j个子模块(j＝1，2，.，N)，u_sa表示模块化多电平变换器交流侧a相电源电压，u_sau表示与u_sa同频同相的幅值为1的交流信号，i_sa、i_ap和i_an分别表示模块化多电平变换器交流侧a相电流及a相上桥臂电流、a相下桥臂电流，i_sa ^*、i_ap ^*和i_an ^*分别表示模块化多电平变换器交流侧a相参考电流及a相上桥臂参考电流、a相下桥臂参考电流，i_θ ^*表示总电容电压控制的输出，i_apu表示与电流i_ap同频同相的单位幅值电流，i_anu表示与电流i_an同频同相的单位幅值电流，Δi_AC为上/下桥臂平衡调整电流，I_ACM表示上/下桥臂平衡控制器的输出，u_dc ^*为子模块直流侧电容参考电压，u_apj表示上桥臂第j个子模块电容电压(j＝1，2，..N，检测值，u_anj表示下桥臂第j个子模块电容电压(j＝1，2，...，N)检测值，

表示上下桥臂各子模块总平均电容电压，

表示上桥臂子模块平均电容电压，

表示下桥臂子模块平均电容电压，d_ap表示上桥臂PWM公共占空比，d_an表示下桥臂PWM公共占空比，d_apj表示上桥臂第j个子模块PWM占空比(j＝1，2，...，N)，d_anj表示下桥臂第j个子模块PWM占空比(j＝1，2，...，N)，Δd_apj表示上桥臂第j个子模块微调占空比(j＝1，2，...，N)，Δd_anj表示下桥臂第j个子模块微调占空比(j＝1，2，，N)，D_mpj为上桥臂第j个微调控制器的输出值(j＝1，2，...，N)，D_mnj为下桥臂第j个微调控制器的输出值(j＝1，2，，N)，u_ap为a相上桥臂的各子模块输出总电压开关周期平均值，u_an为a相下桥臂的各子模块输出总电压开关周期平均值，L表示电感，C表示电容。

图3中，求平均值单元A 1-1输入端与上桥臂各个子模块电容电压检测值u_ap1、u_ap2、...、u_anN相连，输出端不仅与求平均值单元C1-3的输入端相连，还与上/下桥臂平衡控制器1-4的一个输入端相连。求平均值单元B 1-2输入端与下桥臂各个子模块电容电压检测值u_an1、u_an2、...、u_anN相连，输出端不仅与求平均值单元C1-3的另一个输入端相连，还与上/下桥臂平衡控制器1-4的另一个输入端相连。总电容电压控制器1-6的两个输入端分别与求平均值单元C1-3的输出端和电容参考电压u_dc ^*相连，输出端与运算单元A1-8的一个输入端和运算单元B1-9的一个输入端相连。归一化单元AN1-5输入端与交流侧电源电压u_sa相连，输出与乘法器I1-7的一个输入端相连。乘法器I1-7的另一个输入端与上/下桥臂平衡控制器1-4的输出端相连，输出端与运算单元A1-8的一个输入端和运算单元B1-9的一个输入端相连。环流单元1-12的输出与运算单元A1-8的另一个输入端和运算单元B1-9的另一个输入端相连。运算单元A1-8剩下的输入端和运算单元B1-9剩下的输入端相连后还与交流侧参考电流i_sa ^*相连。运算单元A1-8的输出端和电流控制器AP1-11的一个输入端相连，运算单元B1-9的输出端和电流控制器AN1-10的一个输入端相连。电流控制器AP1-11的另一个输入端与上桥臂电流反馈输入量i_ap相连，输出端d_ap和上桥臂控制器2(参见图2)相连。电流控制器AN1-10的另一个输入端与下桥臂电流反馈输入量i_an相连，输出端d_an和下桥臂控制器3(参见图2)相连。

图4中微调控制器AP12-1、微调控制器APj 2-2、微调控制器AP(N-1)2-3具有相同的结构且均有一个输入端与相连，另一输入端分别为与上桥臂各个子模块电容电压检测值u_ap1、u_apj、u_apN-1相连。微调控制器AP12-1、微调控制器APj 2-2、微调控制器AP(N-1)2-3的输出端分别与乘法器AP12-5、乘法器APj 2-6、乘法器AP(N-1)2-7的一个输入端相连，同时与加法器AP 2-11的输入端相连。归一化单元AP 2-4的输入端与上桥臂电流i_ap相连，输出端与乘法器AP12-5、乘法器APj 2-6、乘法器AP(N-1)2-3的另一个输入端相连，同时与乘法器APN2-13的一个输入端相连。加法器AP 2-11的输出端与反号器AP 2-12的输入端相连。反号器AP 2-12的输出端与乘法器APN 2-13的另一个输入端相连。乘法器AP12-5、乘法器APj 2-6、乘法器AP(N-1)2-7、乘法器APN 2-13的输出端分别与加法器AP12-8、加法器APj 2-9、加法器AP(N-1)2-10、加法器APN 2-14的一个输入端相连。加法器AP12-8、加法器APj 2-9、加法器AP(N-1)2-10、加法器APN 2-14的另一个输入端与上桥臂PWM公共占空比d_ap相连，输出端分别与上桥臂PWM占空比d_ap1、d_apj、d_apN1、d_apN相连。

图5中，微调控制器AN13-1、微调控制器ANj 3-2、微调控制器AN(N-1)3-3具有相同的结构且均有一个输入端与

相连，另一输入端分别为与下桥臂各个子模块电容电压检测值u_an1、u_anj、u_anN相连。微调控制器AN13-1、微调控制器ANj 3-2、微调控制器AN(N-1)3-3的输出端分别与乘法器AN13-5、乘法器ANj 3-6、乘法器AN(N-1)3-7的一个输入端相连，同时与加法器AN 3-11的输入端相连。归一化单元AN 3-4的输入端与下桥臂电流i_an相连，输出端与乘法器AN13-5、乘法器ANj 3-6、乘法器AN(N-1)3-7的另一个输入端相连，同时与乘法器ANN 3-13的一个输入端相连。加法器AN 3-11的输出端与反号器AN 3-12的输入端相连。反号器AN 3-12的输出端与乘法器ANN 3-13的另一个输入端相连。乘法器AN13-5、乘法器ANj3-6、乘法器AN(N-1)3-7、乘法器ANN 3-13的输出端分别与加法器AN13-8、加法器ANj 3-9、加法器AN(N-1)3-10、加法器ANN 3-14的一个输入端相连。加法器AN13-8、加法器ANj 3-9、加法器AN(N-1)3-10、加法器ANN 3-14的另一个输入端与下桥臂PWM公共占空比d_an相连，输出端分别与下桥臂PWM占空比d_an1、d_anj、d_anN-1、d_anN相连。

图6中，以M相为例。综合控制系统单元I9、综合控制系统单元k10、综合控制系统单元M11具有相同的结构且其输入端分别和M相模块化多电平变换器8的第1相、第k相、第M相相连，其输出端均和M相PWM信号发生器7相连。综合控制系统单元k10的与综合控制系统单元6具有完全相同的结构，M相模块化多电平变换器8由M个模块化多电平变换器4构成，且正直流母线4-1、负直流母线4-2分别相连。

本发明的一种模块化多电平变换器的综合控制方法，通过检测模块化多电平变换器上、下桥臂各子模块电容电压，上、下桥臂电流，以及交流侧电源电压，经过一个总控制器运算处理后得到上、下桥臂PWM公共占空比；上(下)桥臂各子模块电容电压与上述上(下)桥臂PWM公共占空比经过上(下)桥臂控制器运算处理，得到上(下)桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PWM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电容电压平衡控制和变换器的电流、电压控制。

它的具体步骤为：

(1)通过检测模块化多电平变换器上桥臂各N个子模块电容电压，得到上桥臂N个子模块电容电压检测值u_ap1、u_ap2、...和u_apN，通过求平均值单元A，得到上桥臂子模块平均电容电压

通过检测模块化多电平变换器下桥臂各N个子模块电容电压，得到下桥臂N个子模块电容电压检测值u_an1、u_an2、...和u_anN，通过求平均值单元B，得到下桥臂子模块平均电容电压将上述上桥臂子模块平均电容电压

和下桥臂子模块平均电容电压送入到求平均值单元C，得到上和下桥臂总平均电容电压

(2)通过检测交流侧电源电压u_sa，经过归一化单元A处理，得到相应单位幅值电源电压u_sau；

(3)将总平均电容电压

与电压参考u_dc ^*送入到总电容电压控制器处理，得到总电容电压控制电流i_θ ^*；

(4)将上桥臂子模块和下桥臂子模块平均电容电压

和

送入到上/下桥臂平衡控制器进行处理，得到的输出值I_ACM与单位幅值电源电压u_sau经乘法器I相乘后得到上/下桥臂平衡调整电流Δi_AC，即Δi_AC＝I_ACM·u_sau；

(5)将交流侧电源参考电流i_sa ^*、i₀ ^*、Δi_AC和环流单元产生的电流

送入运算单元A得到上桥臂参考电流

即

(6)将交流侧电源参考电流i_sa ^*、i₀ ^*、Δi_AC和环流单元产生的电流

送入运算单元B得到下桥臂参考电流

即

(7)将上桥臂电流检测值i_ap与参考电流

送入到电流控制器AP处理，得到上桥臂PWM公共占空比d_ap；

(8)将下桥臂电流检测值i_an与参考电流

送入到电流控制器AB处理，得到下桥臂PWM公共占空比d_an；

(9)将上桥臂电流检测值i_ap送入归一化单元AP处理，得到上桥臂单位幅值电流i_apu；将下桥臂电流检测值i_an送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_anu；

(10)将

与上桥臂第j个子模块电容电压检测值u_apj，其中，j＝1，2，...，N-1，送入到上桥臂第j个子模块微调控制器APj进行处理，微调控制器APj的输出D_mpj经过对应的乘法器APj与i_apu相乘后再经过对应的加法器APj与上桥臂PWM公共占空比d_ap相加，得到上桥臂第j个子模块PWM占空比d_apj；

(11)将N-1个上桥臂微调控制器AP1、微调控制器AP2、...和微调控制器AP(N-1)的输出D_mp1、D_mp2、...和D_mpN-1经过加法器AP求和后经反号器AP反向得到D_mpN，再与i_apu经乘法器APN相乘，然后与上桥臂PWM公共占空比d_ap相加，得到上桥臂第N个子模块PWM占空比d_apN；

(12)将

与下桥臂第j个子模块电容电压检测值u_anj，其中j＝1，2，...，N-1，送入到下桥臂第j个子模块微调控制器ANj进行处理，微调控制器ANj的输出D_mnj经过对应的乘法器ANj与i_anu相乘后再经过对应的加法器ANj与下桥臂PWM公共占空比d_an相加，得到下桥臂第j个子模块PWM占空比d_anj；

(13)将N-1个下桥臂微调控制器AN1、微调控制器AN2、...和微调控制器AN(N-1)的输出D_mn1、D_mn2、...和D_mnN-1经过加法器AN求和后经反号器AN反向得到D_mnN，再与i_anu经乘法器ANN相乘，然后与下桥臂PWM公共占空比d_an相加，得到下桥臂第N个子模块PWM占空比d_anN；

(14)将各子模块PWM占空比d_ap1、d_ap2、…和d_apN及d_an1、d_an2、…和d_anN送入到PWM发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。

Claims (9)

1.一种模块化多电平变换器的综合控制方法，其特征是，通过检测模块化多电平变换器上、下桥臂各子模块电容电压，上、下桥臂电流，以及交流侧电源电压，经过一个总控制器运算处理后得到上、下桥臂PWM公共占空比；上、下桥臂各子模块电容电压与上述上、下桥臂PWM公共占空比经过上、下桥臂控制器运算处理，得到上、下桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PWM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电容电压平衡控制和变换器的电流、电压控制。

2.如权利要求1所述的模块化多电平变换器的综合控制方法，其特征是，它的具体步骤为：

(1)通过检测模块化多电平变换器上桥臂各N个子模块电容电压，得到上桥臂N个子模块电容电压检测值u_ap1、u_ap2、...和u_apN，通过求平均值单元A，得到上桥臂子模块平均电容电压通过检测模块化多电平变换器下桥臂各N个子模块电容电压，得到下桥臂N个子模块电容电压检测值u_an1、u_an2、...和u_anN，通过求平均值单元B，得到下桥臂子模块平均电容电压

将上述上桥臂子模块平均电容电压和下桥臂子模块平均电容电压送入到求平均值单元C，得到上和下桥臂总平均电容电压

(2)通过检测交流侧电源电压u_sa，经过归一化单元A处理，得到相应单位幅值电源电压u_sau；

(3)将总平均电容电压

与电压参考u_dc ^*送入到总电容电压控制器处理，得到总电容电压控制电流i_θ ^*；

(4)将上桥臂子模块和下桥臂子模块平均电容电压和

送入到上/下桥臂平衡控制器进行处理，得到的输出值I_ACM与单位幅值电源电压u_sau经乘法器I相乘后得到上/下桥臂平衡调整电流Δi_AC，即Δi_AC＝I_ACM·u_sau；

(5)将交流侧电源参考电流i_sa ^*、i₀ ^*、Δi_AC和环流单元产生的电流

送入运算单元A得到上桥臂参考电流

即

(6)将交流侧电源参考电流i_sa ^*、i₀ ^*、Δi_AC和环流单元产生的电流

送入运算单元B得到下桥臂参考电流

即

(7)将上桥臂电流检测值i_ap与参考电流

送入到电流控制器AP处理，得到上桥臂PWM公共占空比d_ap；

(8)将下桥臂电流检测值i_an与参考电流

送入到电流控制器AB处理，得到下桥臂PWM公共占空比d_an；

(9)将上桥臂电流检测值i_ap送入归一化单元AP处理，得到上桥臂单位幅值电流i_apu；将下桥臂电流检测值i_an送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_anu；

(10)将与上桥臂第j个子模块电容电压检测值u_apj，其中，j＝1，2，...，N-1，送入到上桥臂第j个子模块微调控制器APj进行处理，微调控制器APj的输出D_mpj经过对应的乘法器APj与i_apu相乘后再经过对应的加法器APj与上桥臂PWM公共占空比d_ap相加，得到上桥臂第j个子模块PWM占空比d_apj；

(11)将N-1个上桥臂微调控制器AP1、微调控制器AP2、...和微调控制器AP(N-1)的输出D_mp1、D_mp2、...和D_mpN-1经过加法器AP求和后经反号器AP反向得到D_mpN，再与i_apu经乘法器APN相乘，然后与上桥臂PWM公共占空比d_ap相加，得到上桥臂第N个子模块PWM占空比d_apN；

(12)将

与下桥臂第j个子模块电容电压检测值u_anj，其中j＝1，2，...，N-1，送入到下桥臂第j个子模块微调控制器ANj进行处理，微调控制器ANj的输出D_mnj经过对应的乘法器ANj与i_anu相乘后再经过对应的加法器ANj与下桥臂PWM公共占空比d_an相加，得到下桥臂第j个子模块PWM占空比d_anj；

(13)将N-1个下桥臂微调控制器AN1、微调控制器AN2、...和微调控制器AN(N-1)的输出D_mn1、D_mn2、...和D_mnN-1经过加法器AN求和后经反号器AN反向得到D_mnN，再与i_anu经乘法器ANN相乘，然后与下桥臂PWM公共占空比d_an相加，得到下桥臂第N个子模块PWM占空比d_anN；

(14)将各子模块PWM占空比d_ap1、d_ap2、…和d_apN及d_an1、d_an2、…和d_anN送入到PWM发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。

3.如权利要求2所述的模块化多电平变换器的综合控制方法，其特征是，所述步骤(2)中，通过检测交流侧电源电压u_sa，采用公知的锁相技术，得到与u_sa同频同相的单位幅值正弦函数，代替单位幅值电源电压u_sau。

4.如权利要求2所述的模块化多电平变换器的综合控制方法，其特征是，所述步骤(9)中，用上桥臂参考电流

代替上桥臂电流检测值i_ap，用下桥臂参考电流

代替下桥臂电流检测值i_an；即，将上桥臂参考电流

送入归一化单元AP处理，得到上桥臂单位幅值电流i_apu；将下桥臂参考电流送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_anu。

5.如权利要求2所述的模块化多电平变换器的综合控制方法，其特征是：所述步骤(5)和(6)中，环流单元产生的电流

满足

和

其中，T表示交流侧电源电压周期，的幅值由交流侧电源参考电流i_sa ^*大小决定。

6.如权利要求2所述的模块化多电平变换器的综合控制方法，其特征是：所述步骤(5)和(6)中，当模块化多电平变换器直流母线外接负载而不是直流电源时，需要增加直流母线电压闭环控制器，该控制器的输出控制交流侧电源参考电流i_sa ^*的有功分量幅值，该控制器的输入来自直流母线电压检测值和直流母线电压参考值。

7.一种模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，它包括M相模块化多电平变换器，每一相模块化多电平变换器与各自的综合控制装置连接，各综合控制装置则与M相PWM信号发生器连接；其中，所述各综合控制装置结构相同，包括上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器；每一相的模块化多电平变换器输出端分别与上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出上桥臂PWM公共占空比d_ap到上桥臂控制器，输出下桥臂PWM公共占空比d_an到下桥臂控制器；上桥臂控制器和下桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。

8.如权利要求7所述的模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，所述总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B，它们的输入端与模块化多电平变换器输出端连接，输出端则分别与求平均值单元C和上/下桥臂平衡控制器连接，求平均值单元C得输出端与总电容电压控制器连接，上/下桥臂平衡控制器输出端与乘法器I连接，乘法器I还与归一化单元AN连接；总电容电压控制器和乘法器I均分别与运算单元A、运算单元B连接，同时环流单元也与运算单元A、运算单元B连接；运算单元A、运算单元B分别与对应的电流控制器AN、电流控制器AP连接；子模块直流侧电容参考电压送入总电容电压控制器输入端；模块化多电平变换器的相电源电压送入归一化单元AN；下桥臂相电流送入电流控制器AN。

9.如权利要求7所述的模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，所述上桥臂控制器和下桥臂控制器结构相同，其中：

所述上桥臂控制器包括与各上桥臂N个子模块电容电压检测值u_ap1、u_apj、…和u_apN对应的微调控制器AP1、微调控制器APj、…微调控制器AP(N-1)；各微调控制器AP输出端分别与对应的乘法器AP1、乘法器APj、…乘法器AP(N-1)连接；同时各微调控制器AP输出端还与加法器AP连接，加法器AP依次与反号器AP、乘法器APN连接，各乘法器AP的输出端与相应的加法器AP1、…加法器APj、…加法器AP(N-1)、…加法器APN连接；上桥臂电流检测值i_ap送入归一化单元AP，归一化单元AP与各乘法器AP1、…乘法器APN连接；

所述下桥臂控制器包括与各下桥臂N个子模块电容电压检测值u_an1、u_anj、…和u_anN对应的微调控制器AN1、微调控制器ANj、…微调控制器AN(N-1)；各微调控制器AN输出端分别与对应的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-1)连接；同时各微调控制器AN输出端还与加法器AN连接，加法器AN依次与反号器AN、乘法器ANN连接，各乘法器AN的输出端与相应的加法器AN1、…加法器ANj、……加法器AN(N-1)、…加法器ANN连接；下桥臂电流检测值i_an送入归一化单元AN，归一化单元AN与各乘法器AN1、…乘法器ANN连接。

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