CN103390929A - 不间断电源自适应输出电压控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不间断电源以及不间断电源自适应输出电压控制系统，该不间断电源包括：整流器，其耦接至不间断电源的输入并且将具有第一交流电压的第一交流转换为直流；逆变器，其耦接至不间断电源的输出并且将该直流转换为具有第二交流电压的第二交流。旁路开关在旁路状态下时将整流器和逆变器旁路并且将旁路电力从输入提供至输出。控制模块在旁路模式下时将旁路开关切换到旁路状态，而在UPS模式下时将旁路开关切换到非旁路状态。在从旁路模式切换到UPS模式之后，控制模块在自适应电压控制模式下时，在第一电压水平与第二电压水平之间调节第二交流电压。

Description

不间断电源自适应输出电压控制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年6月3日提交的美国临时申请第61/492953号的权益，上述申请的全部公开内容通过引用合并到本文中。

技术领域

本公开内容总体上涉及不间断电源，并且更具体地涉及不间断电源的电压控制。

背景技术

本文所提供的背景技术的描述是为了一般性地介绍本公开内容的背景。当前命名的发明人的达到在本背景技术部分中描述的程度的工作、以及在提交申请时可能没有被当作现有技术的描述的各个方面，既不明显地也不隐含地被认为是相对于本公开内容的现有技术。

不间断电源（UPS）在向数据中心供电中使用。在这一方面，除了在来自电力公共设施（utility）的电力中断的情况下向数据中心提供备用电力之外，UPS也可以对来自电力公共设施的电力进行调节。电力公共设施变电站（substation）将公共电力（utility power）下转换以生成提供给UPS的变电站电力，该UPS对变电站电力进行调节。UPS中的每个具有在市电中断的情况下提供电力的备用电源。例如，UPS可以向数据中心的一个或更多个服务器的一个或更多个电源提供电力。

数据中心可以具有多个负载（例如，服务器）。每个负载具有可以在输入电压的范围内操作的电源（负载电源）。负载电源的效率可以基于其输入电压而变化。像这样，每个负载电源可以具有负载电源以最大效率水平操作的相应的输入电压。例如，负载电源能够以从208VAC到240VAC的范围的输入电压来操作。然而，当负载电源具有240VAC的输入电压时，负载电源可以以最大效率水平操作。在这一方面，在美国普遍使用的服务器电源通常在其输入电压为240VAC时以最大效率操作。

一个或更多个不间断电源（UPS）可以用于向数据中心的负载电源提供输出电压。UPS以变电站电压（例如，208VAC）接收来自变电站的电力并且可以各自被配置成以固定的额定输出电压提供输出电力。UPS通常可以具有UPS模式和旁路模式。当在UPS模式下时，UPS可以对变电站电压进行调整、滤波和调节以便提供输出电力。每个UPS可以包括旁路开关，当UPS在旁路模式下时，旁路开关处于旁路状态（例如，闭合的）并且将具有变电站电压的来自公共设施的电力直接提供给负载电源。这可以在UPS中发生故障或来自公共设施的输入电力足够纯净（clean）以使得不需要调节时执行。在旁路模式下，UPS的组件（例如，变压器、整流器、逆变器等）被旁路以将具有变电站电压的来自公共设施的电力直接提供给UPS的输出，并由此直接提供给负载电源。

如果UPS被配置成将来自变电站电压（在本文中称为“静态旁路电压”）的电力的电压升高到比变电站电压更高的电压（例如240VAC）以用于负载电源（在本文中称为“有效电压”）的最大工作效率，UPS的输出电压会突然下降。这可以发生在UPS从UPS模式切换到旁路模式时。以美国为例，当UPS从UPS模式切换到旁路模式时，UPS的输出电压会从有效电压水平240VAC突然下降到静态旁路电压水平208VAC。该突然的电压降会负面影响负载电源和/或相应的负载的操作。

为了阻止旁路事件期间的电压降，UPS可以被配置成在UPS模式下向负载电源提供与在旁路模式期间提供的输出电压相同的输出电压，例如在每个模式下输出的208VAC。然而，这防止负载电源和/或相应的负载以最大效率水平操作。

发明内容

在一个方面，提供了一种不间断电源。不间断电源具有耦接至不间断电源的输入的整流器，该整流器将具有第一交流电压的第一交流转换为直流。不间断电源还包括耦接至不间断电源的输出的逆变器，该逆变器将通过直流总线提供的直流转换为具有第二交流电压的第二交流。旁路开关具有旁路状态和非旁路状态，其中，旁路开关被配置成在旁路状态下时将整流器和逆变器旁路并且将旁路电压从输入提供到输出。控制模块在旁路模式和UPS模式下操作。控制模块在旁路模式下时将旁路开关切换到旁路状态，而在UPS模式下时将旁路开关切换到非旁路状态。当控制模块在UPS模式下时，控制模块还在正常UPS模式和自适应电压控制模式下操作。在从旁路模式切换到UPS模式时，控制模块在自适应电压控制模式下操作时将第二交流电压从第一水平调节到第二水平。

在一个方面，提供了一种操作不间断电源的方法。该方法包括：通过整流器，将第一交流转换为直流；以及通过逆变器，将该直流转换为具有第二交流电压的第二交流。该方法还包括确定要在旁路模式下还是UPS模式下操作不间断电源。该方法包括在旁路模式下时将旁路开关切换到旁路状态，并且当操作在旁路模式下时，通过从不间断电源的输入经由旁路开关向不间断电源的输出以旁路电压提供电力，来将整流器和逆变器旁路。当在UPS模式下时，旁路开关切换到非旁路状态。在从旁路模式切换到UPS模式之后，当在UPS模式中的自适应控制模式下操作时，在第一电压水平与第二电压水平之间调节第二交流电压。

根据下文中提供的详细描述，本公开内容的另外的适用领域将变得明显。应该理解，详细的描述以及具体示例仅意在说明的目的，而无意限制本公开内容的范围。

附图说明

根据详细的描述和附图，将更充分地理解本公开内容，在附图中：

图1是根据本公开内容的一个方面的UPS系统的功能框图；

图2是根据本公开内容的一个方面的UPS控制电路的功能框图；

图3是根据本公开内容的一个方面的整流器控制模块的功能框图；

图4是根据本公开内容的一个方面的逆变器控制模块的功能框图；

图5是根据本公开内容的一个方面的模块化UPS控制系统的功能框图；

图6是根据本公开内容的一个方面的自适应地调节UPS的输出电压的方法的流程图；

图7是根据本公开内容的一个方面的切换到旁路模式的方法的流程图；以及

图8是根据本公开内容的一个方面的、在故障的情况下切换到旁路模式的方法的流程图。

具体实施方式

前面的描述在本质上仅仅是说明性的，并且决不意图限制本公开内容、其应用或用途。可以以各种形式来实施本公开内容的广泛的教示。因此，虽然本公开内容包括具体示例，但是不应如此限制本公开内容的实际范围，由于在研究附图、说明书和所附权利要求时其他修改将变得明显。为了清楚起见，将在附图中使用相同的附图标记来标识相似的元件。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为表示使用非排他性的逻辑或（OR）的逻辑（A或B或C）。应当理解，在不改变本公开内容的原理的情况下，可以以不同的次序（或同时）执行方法中的一个或更多个步骤。

如本文所使用的，术语“模块”可以指以下各项的一部分或包括以下各项：专用集成电路（ASIC）；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器（共享的、专用的、或组）；提供所描述的功能的其他合适的硬件组件；或例如片上系统中的上述的一些或全部的组合。术语“模块”可以包括存储由处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的或组）。

上面所使用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指程序、例程、函数、类、和/或对象。上面所使用的术语“共享的”表示可以使用单个（共享的）处理器执行来自多个模块的一些或全部的代码。另外，来自多个模块的一些或全部的代码可以由单个（共享的）存储器来存储。上面所使用的术语“组”表示可以使用一组处理器执行来自单个模块的一些或全部的代码。另外，可以使用一组存储器来存储来自单个模块的一些或全部的代码。

可以通过由一个或更多个处理器执行的一个或更多个计算机程序来实施本文所描述的设备和方法。计算机程序包括存储在非临时性有形的计算机可读介质上的处理器可执行的指令。计算机程序也可以包括存储的数据。非临时性有形的计算机可读介质的非限制性示例为非易失性存储器、磁存储装置以及光存储装置。

本文所公开的实施方式解决并克服了上述问题。实施方式包括UPS的自适应电压输出控制并允许有效的服务器（或负载）操作。在UPS从UPS模式切换到旁路模式的情况下，自适应电压输出控制对从UPS提供给服务器电源（或负载）的电压降进行管理。当UPS从旁路模式切换到UPS模式并且选择了自适应电压输出控制时，自适应电压输出控制还使UPS的输出电压从静态旁路电压斜变（ramp）到有效电压水平。如果没有选择自适应电压输出控制，则当在UPS模式下时UPS以静态旁路电压提供输出电压。

在图1中，示出了UPS系统10。UPS系统10可以包括将AC（交流）电力提供给一个或更多个负载（示出了一个负载14）的一个或更多个UPS（示出了一个UPS12）。每个UPS可以将电力提供给一个或更多个负载。UPS10可以并联连接以提供更多电力容量。负载可以包括例如一个或更多个服务器电源、网络交换机及装置、电信交换机及装置、音频/视频集线器及装置、空调单元、医疗器械及装备、工业装置及装备等。

UPS12包括双转换UPS电力电路16和UPS控制模块18。UPS电力电路16包括整流器20和逆变器22。UPS12还包括备用电源24和旁路开关26。如图所示，双转换UPS电力电路16还可以包括输入变压器28和/或输出变压器30。UPS控制模块18可以不包括变压器28、30。UPS控制模块18可以包括检测双转换UPS电力电路16中的电流、电压和电力参数的、具有嵌入式软件的数字信号处理器。UPS控制模块18监视UPS12中的装置的输入和输出，并且基于输入和输出来对双转换UPS电力电路16、备用电源24和旁路开关26的操作进行控制。

UPS控制模块18可以控制诸如切换电力装置（未示出）的双转换UPS电力电路16的整流器、逆变器、变压器、充电器和其他电路元件的操作。例如，UPS控制模块18可以：选择和设置操作模式；保持UPS12的输出处的电压和电流水平并由此保持负载14上的电压和电流水平；以及使UPS12的输出电力的输出电压水平在静态旁路电压（例如，208VAC）与有效电压水平（例如，240VAC）之间斜变。UPS控制模块18还可以提供限制（例如，限制提供给负载14的电流），设置故障条件，设置事件条件，以及设置报警条件，并且基于这些条件来控制UPS12的操作。在下面描述UPS控制模块18的其他特征和操作。

整流器20、逆变器22和变压器28、30在主AC源（例如，变电站电压源、调整的公共设施电源、发电机、燃料电池等）与负载14之间串联连接。主AC源将AC电力提供给输入变压器28，输入变压器28又将AC电力提供给整流器20。整流器20用作AC/DC转换器，并且将AC转换成提供给DC（直流）总线34的DC。DC总线34耦接至整流器20的输出以及逆变器22的输入。逆变器用作DC/AC转换器，并且将DC总线34上的DC转换成在逆变器22的输出处提供的AC。当来自主AC源的电力损失或者充分退化（例如，不适当的电压水平、不适当的电流水平等）使得其不能使用时，备用电源24为负载14提供电力（例如，通过提供备用DC源）。备用电源24可以包括一个或更多个备用电池（其可以是电池组）、储能轮（flywheel）、燃料电池等。

当UPS12在UPS模式下操作时，从主AC源经由整流器20和逆变器22向负载14提供电力。这提供具有最小的不规则性（如电压尖峰、频率偏差或相位偏差）的经调整和滤波的电力。在一种电路拓扑结构中，整流器20通过DC总线34将电力提供给逆变器22以及备用电源24的电池充电器32。整流器20可以是脉宽调制（PWM）整流器。例如，电池充电器32对备用电池36进行充电。在另一种拓扑结构中，当备用电池直接连接到DC总线34时，整流器20可以是相控整流器，并用于对备用电池进行充电，而无需使用单独的电池充电器。

从同一示例继续，当来自主AC源的电力中断时，UPS12切换到备用模式，并且从备用电源24而不是从主AC源向逆变器22提供电力。这允许在负载14上保持电力而不中断。当备用电池36直接连接至DC总线34时以及当来自主AC源的电力中断时，从备用电池36向DC总线34直接地而不经由整流器20提供电力。所描述的UPS12提供不间断的纯净的AC电力。对提供给负载14的电压进行调整。由备用电池36提供给DC总线34的电压可以不进行调整并且随着能量从备用电池36流出而降低。

输入变压器28可以将主AC源与整流器20隔离。整流器20可以直接接收来自主AC源的例如具有208VAC的第一AC电压V_ACIN的电力。第一AC电压V_ACIN可以称为静态旁路电压。例如，输入变压器28可以将第一AC电压V_ACIN转换成变压器供电电压（第二AC电压V_RECTIN），例如像208VAC。第二AC电压V_RECTIN可以小于或等于第一AC电压V_ACIN。输入变压器28可以包括一个或更多个滤波器和/或消除来自主AC源的电力中的某些谐波。

整流器20将来自输入变压器28的第二AC电压（或变压器供电电压）V_RECTIN转换成提供给DC总线34的DC总线电压V_RECTOUT。下面关于图2-3和6-8来进一步描述整流器20的控制和操作。

逆变器22将DC总线34上的DC总线电压V_RECTOUT（或V_INVIN）转换成例如208VAC的第三AC电压V_INVOUT。第三AC电压V_INVOUT可以小于或等于第一AC电压V_ACIN并等于第二AC电压V_RECTIN。第三AC电压V_INVOUT可以提供给输出变压器30。输出变压器30将第三AC电压V_INVOUT转换成提供给负载14的AC输出电压（第四AC电压）V_ACOUT，如208VAC。

UPS12可以在旁路模式、UPS模式和备用模式下操作。当在UPS模式下时，UPS12可以在正常UPS模式或自适应电压控制模式下操作。UPS控制模块18基于操作模式来控制UPS12的操作模式和控制装置。当在旁路模式下时，控制模块18可以经由旁路控制信号BYPASS用信号通知旁路开关26处于其旁路状态。旁路开关26与输入变压器28、整流器20、逆变器22以及输出变压器30并联连接。旁路开关26连接至UPS12和/或输入变压器28的输入40以及连接至UPS12和/或输出变压器30的输出42。当在旁路状态下时，旁路开关26将具有第一AC电压V_ACIN的AC电力从主AC源直接提供给UPS12的输出42，并由此直接提供给负载14。结果，输入变压器28、整流器20、逆变器22以及输出变压器30被旁路。应当理解，旁路开关26可以耦接至除了连接至UPS12的输入的源以外的AC电源。

当UPS12在UPS模式下时，UPS控制模块18控制旁路开关26处于其非旁路状态，因此AC电力不是从主AC源直接提供给UPS12的输出42。经由整流器20、逆变器22和变压器28、30向负载14提供电力。当UPS12在正常UPS模式下时，可以为负载14提供恒定电压。例如，当UPS12在正常UPS模式下时，可以将AC输出电压V_ACOUT设置在静态旁路电压。当UPS12在自适应电压控制模式下时，UPS控制模块18可以将AC输出电压V_ACOUT从静态旁路电压增加（或斜升）至设置的自适应电压，和/或将AC输出电压V_ACOUT从设置的自适应电压减小（或斜降）至静态旁路电压。例如，设置的自适应电压可以是上述有效电压水平，该有效电压水平以最大化负载14的工作效率的电压向负载14提供电力。

UPS12还可以包括与UPS控制模块18通信并且提供针对系统参数的输入设置的用户接口模块50。用户接口模块50可以用于设置UPS12的装置20、22、28、30和AC负载14的电压水平、电流限制和电力限制。例如，可以单独地和/或彼此独立地或以依赖性方式对出入整流器20、逆变器22以及输出变压器30的电流和电压水平进行调整、监视、调节和限制。用户接口模块50还可以用于选择自动操作模式和手动操作模式。在自动模式期间，UPS控制模块18可以基于整流器20、逆变器22和/或输出变压器30的状态（例如，输入和输出的电流和电压水平）来选择旁路模式和UPS模式（正常模式或自适应电压控制模式）。在手动模式期间，用户可以手动地选择旁路模式和UPS模式（正常模式或自适应电压控制模式）。

UPS12还可以包括显示器52，显示器52可以用于指示UPS12的各个装置的输入和输出的电压、电流和电力状态。用户可以基于所显示的信息来执行适当的任务，包括选择自动、手动、旁路以及UPS（正常或自适应电压控制）模式。

现在还参照图2，示出了UPS控制电路100。图1的UPS控制模块18可以包括UPS控制电路100或由UPS控制电路100来替换。UPS控制电路100包括监视控制模块102、电力控制模块104以及旁路控制模块106。模块102、104和106可以作为单个UPS控制模块（例如，图1的UPS控制模块）的一部分而被包括，或可以是如图所示的不同的模块并且通过一个或更多个控制器局域网（CAN）进行通信。在图5中示出了示例性CAN。

监视控制模块102可以包括用户输入模块108和使能模块110。用户输入模块108接收来自用户接口模块50的输入信号INPUTS（输入），并且生成控制信号AUTO/MAN（自动/手动）、第一模式信号MODE₁以及电压设置信号SetVolt(s)。使能模块110基于控制信号AUTO/MAN和第一模式信号MODE₁来生成使能信号ENABLE，以启用UPS模式和/或自适应电压控制模式。当自动模式被选择和/或当第一模式信号MODE₁表示在UPS模式和/或自适应电压控制模式下操作时，例如可以将使能信号ENABLE设置成HlGH（高）。当手动模式被选择以及第一模式信号MODE₁表示在UPS模式和/或自适应电压控制模式下操作时，可以将使能信号ENABLE设置成HlGH。当手动模式被选择以及第一模式信号MODE₁表示在旁路模式下操作时，可以将使能信号ENABLE设置为LOW（低）。虽然未示出，但是监视控制模块102可以将电压和/或电压信号V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)（“电压”）以及电流水平和/或电流信号I_RECTIN、I_RECTOUT、I_INVIN以及I_INVOUT（“电流水平”）提供给用户接口模块50，用于用户通过显示器52进行监视。

电力控制模块104可以包括故障检测模块112、自适应电压控制模块114、以及整流器和逆变器（RI）控制电路116。故障检测模块112可以检测、接收和/或监视UPS12的装置的至少一个参数，例如电压V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT、以及SetVolt(s)。电压V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)可以作为来自整流器20、逆变器22、输入变压器28和/或输出变压器30的电压信号而接收。作为替选，电压V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)可以是由UPS控制模块18生成的信号，该信号表示UPS12、整流器20、逆变器22、变压器28、30以及电压设置信号SetVolt(s)的实际的输入电压和输出电压。例如，电压V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)可以是表示所述电压的二进制信号（或其他合适的信号）。因此，应当理解，如上下文所指明的，术语V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)将表示实际电压、或指示实际电压的参数。

故障检测模块112还可以对出入整流器20和逆变器22的电流进行检测、接收和/或监视。这些电流水平被示为电流信号I_RECTIN、I_RECTOUT、I_INVIN以及I_INVOUT，这些可以作为电压、二进制字或其他合适的指标（indicator）来表示整流器20和逆变器22的电流水平。例如，由整流器20接收的电流的电流水平可以由电流信号I_RECTIN表示，其中电流信号I_RECTIN具有电压或者为表示电流水平的二进制信号。故障检测模块112基于电压V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)以及电流水平I_RECTIN、I_RECTOUT、I_INVIN和I_INVOUT来检测UPS12中的故障和/或与UPS12的一个或更多个装置相关联。故障检测模块112基于检测到的故障来生成故障信号FAULT。电压V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT和SetVolt(s)以及电流水平I_RECTIN、I_RECTOUT、I_INVIN和I_INVOUT的预定值和/或由用户接口所选择的值可以存储在存储器120中。

自适应电压控制模块114基于电压V_ACIN、V_ACOUT、控制信号AUTO/MAN、使能信号ENABLE以及故障信号FAULT，来选择包括旁路模式或UPS模式的操作模式。当在UPS模式下时，自适应电压控制模块114还基于电压V_ACIN、V_ACOUT、控制信号AUTO/MAN、使能信号ENABLE以及故障信号FAULT来选择正常UPS模式或自适应电压控制模式。自适应电压控制模块114生成表示所选择的操作模式的第二模式信号MODE₂。关于图6-8进一步描述自适应电压控制模块114的操作。

RI控制电路116还可以包括标度（scale）模块122。标度模块122可以基于第二模式信号MODE₂生成标度值信号K_fi1、K_fv1、K_fi2、K_fv2。标度值信号K_fi1、K_fi1、K_fi2、K_fi2可以由RI控制电路116的放大器使用。当在旁路模式下操作时，标度值信号K_fi1、K_fv1、K_fi2、K_fv2可以具有第一组标度值，以及当在自适应电压控制模式下操作时，可以具有第二组标度值。图3和图4中示出了放大器。

RI控制电路116包括电压基准模块124、第一开关模块126、第二开关模块128、整流器控制模块130、以及逆变器控制模块132。电压基准模块124基于电压设置信号SetVolt(s)和/或存储在存储器120中的预定的电压和电流水平134，针对UPS模式的旁路模式和自适应电压控制模式中的每个模式来选择DC电压基准和AC电压基准。作为示例，电压基准模块124可以针对正常UPS模式和/或自适应电压控制模式选择第一DC电压基准DC1和第一AC电压基准AC1。第一AC电压基准可以等于也称为如上面所讨论的静态旁路电压的第一AC电压V_ACIN。电压基准模块124可以针对自适应电压控制模式选择第二DC电压基准DC2和第二AC电压基准AC2。自适应电压控制模式可以利用任意数量的相关联的DC电压基准和AC电压基准。

第一开关模块126基于第二模式信号MODE₂来选择第一DC电压基准DC1和第二DC电压基准DC2中的一个，并且生成DC电压基准信号V_DCREF。DC电压基准信号V_DCREF表示所选择的DC电压。第二开关模块128基于第二模式信号MODE₂来选择第一AC电压基准AC1和第二AC电压基准AC2中的一个，并且生成AC电压基准信号V_ACREF。AC电压基准信号V_ACREF表示所选择的AC电压。

整流器控制模块130接收DC电压基准信号V_DCREF和DC总线电压信号V_RECTOUT。整流器控制模块130还可以接收整流器信号RECT和标度值信号K_fi1、K_fv1。整流器信号RECT可以包括线电流信号I_L1（图3中所示的）和DC总线电压信号V_RECTOUT。线电流信号I_L1可以表示由负载14作为电压接收的电流的量，并且可以等于电流信号I_RECTIN、I_RECTOUT、I_INVIN和I_INVOUT中的一个或更多个。虽然未示出，但是整流器控制模块130也可以接收和/或监视电流信号I_RECTIN、I_RECTOUT。

整流器控制模块130监视整流器20的状态，并且基于状态来控制整流器20的操作。例如，整流器控制模块130可以基于电压信号V_RECTIN、V_RECTOUT和电流信号I_RECTIN、I_RECTOUT来控制整流器20的操作。在示出的示例中，整流器控制模块130基于整流器信号RECT、DC总线电压信号V_RECTOUT、DC电压基准信号V_DCREF、线电流信号I_L1和/或标度值信号K_fi1、K_fv1来控制整流器20的操作并且生成第一PWM信号PWM1。第一PWM信号PWM1被传送到整流器20并且可以控制整流器20的输出电压（即，DC总线电压V_RECTOUT）。

逆变器控制模块132接收AC电压基准信号V_ACREF和第三AC电压信号V_INVOUT。逆变器控制模块132还可以接收逆变器信号INV和标度值信号K_fi2、K_fv2。逆变器信号INV可以包括线电流信号I_L1和第三AC电压信号V_INVOUT。虽然未示出，但是逆变器控制模块132还可以接收和/或监视电流信号I_INVIN、I_INVOUT。逆变器控制模块132监视逆变器22的状态，并且基于状态来控制逆变器22的操作。例如，逆变器控制模块132可以基于电压信号V_INVIN、V_INVOUT和电流信号I_INVIN、I_INVOUT来控制逆变器22的操作。在示出的示例中，逆变器控制模块132基于逆变器信号INV、第三AC电压信号V_INVOUT、AC电压基准信号V_ACREF、线电流信号I_L1和/或标度值信号K_fi2、K_fv2来控制逆变器22的操作并且生成第二PWM信号PWM2。第二PWM信号PWM2被传送到逆变器22并且可以控制逆变器22的输出电压（即，第三AC电压V_INVOUT）。

旁路控制模块106包括控制旁路开关26的操作的旁路开关模块140。旁路开关模块140基于第二模式信号MODE₂、控制信号AUTO/MAN、使能信号ENABLE、第一AC电压信号V_ACIN、和/或AC输出电压信号V_ACOUT来生成旁路控制信号BYPASS。

在图3中，示出了整流器控制模块130。整流器控制模块130包括第一求和器150、第一比例积分装置152、第一乘法器154、第二求和器156、第一比例装置158、第一PWM装置160、整流器接口模块162、第一电流反馈回路164和第一电压反馈回路166。第一求和器150将DC基准电压V_DCREF与第一电压反馈回路166的输出求和。第一比例积分装置152基于第一求和器150的输出来生成第一比例积分值。第一乘法器154将第一比例积分值与第一相位信号Sinθ₁相乘。第二求和器156将第一乘法器154的输出与第一电流反馈回路164的输出求和。第一比例装置158基于第二求和器156的输出来生成第一比例值。

第一PWM装置160基于由第一比例装置158生成的第一比例值来生成第一PWM信号PWM1。整流器接口模块162至少接收整流器信号RECT和第一PWM信号PWM1，并且生成、传送和/或输出第一PWM信号PWM1、DC总线电压信号V_RECTOUT和线电流信号I_L1。可以从整流器20接收整流器信号RECT。第一PWM信号PWM1被传送到整流器20。

第一电压反馈回路166可以包括第一电压放大器170并且用于保持整流器20的输出电压。第一电压放大器170基于标度值K_fv1将DC总线电压信号V_RECTOUT放大。第一电流反馈回路164可以包括第二电压放大器172并且用于保持整流器20的电流水平。第二电压放大器172可以基于标度值K_fi1将DC总线电压信号V_RECTOUT放大。

在图4中，示出了逆变器控制模块132。逆变器控制模块132包括第三求和器180、第二比例积分装置182、第二乘法器184、第四求和器186、第二比例装置188、第二PWM装置190、逆变器接口模块192、第二电流反馈回路194和第二电压反馈回路196。第三求和器180将AC基准电压V_ACREF与第二电压反馈回路196的输出求和。第二比例积分装置182基于第三求和器180的输出来生成第二比例积分值。第二乘法器184将第二比例积分值与第二相位信号Sinθ₂相乘。第四求和器186将第二乘法器184的输出与第二电流反馈回路194的输出求和。第二比例装置188基于第四求和器186的输出来生成比例值。

第二PWM装置190基于由第二比例装置188生成的第二比例值来生成第二PWM信号PWM2。逆变器接口模块192至少接收逆变器信号INV和第二PWM信号PWM2，并且生成、传送和/或输出第二PWM信号PWM2、第三AC电压信号V_INVOUT和线电流信号I_L1。可以从逆变器22接收逆变器信号INV。第二PWM信号PWM2被传送到逆变器22。

第二电压反馈回路196可以包括第三电压放大器198并且用于保持逆变器22的输出电压。第三电压放大器198基于标度值K_fv2将第三AC电压信号V_INVOUT放大。第二电流反馈回路194可以包括第四电压放大器199并且用于保持逆变器22的电流水平。第四电压放大器199可以基于标度值K_fi2将AC电压信号V_INVOUT放大。

在图5中，示出了模块化UPS控制系统200。模块化UPS控制系统200包括具有一个或多个UPS控制电路（示出了一个UPS控制电路204）以及一个或多个UPS电力电路（示出了一个UPS电力电路206）的UPS202。UPS202可以并联连接，以向一个或更多个负载（未示出）提供单个输出电压。UPS控制电路中的每个可以包括监视控制电路208、一个或更多个电力控制电路210、以及旁路控制电路212。当UPS202仅包括单个电力控制电路时，UPS可以被称为单片UPS。具有多个单片UPS的系统可以被称为多UPS系统。

监视控制电路208包括监视控制模块（MCM）214（例如，图2的监视控制模块102）和监视接口电路（MIC）216。监视接口电路216可以包括如图1所示的用户接口模块和显示器。

电力控制电路210包括各自的电力控制模块（PCM）218（例如，图2的电力控制模块104）和RI电力电路（RICIR）220。电力控制电路210可以控制并联连接的RI电力电路220。RI电力电路220中的每个可以包括如图1所示的输入变压器和输出变压器、整流器和逆变器。基于电力要求，对于每个应用可以改变电力控制电路210和相应的RI电力电路的数量。作为示例，每个RI电力电路可以用于提供15千伏安（KVA）。如果在UPS中使用三个RI电力电路，则UPS可以提供45KVA。RI电力电路220中的每个可以包括下列中的每个的一个或更多个：输入变压器；输出变压器；整流器；以及逆变器。整流器和逆变器的对可以并联连接，并且整流器和逆变器的对的数量可以基于应用的电力要求。在图1中示出了示例性输入变压器和输出变压器、整流器和逆变器。

旁路控制电路212包括旁路控制模块（BCM）222（例如，图2的旁路控制模块106）和旁路开关（BPS）224（例如，图1的旁路开关26）。

UPS202的控制模块214、218和222可以通过监视CAN250和/或通过并行CAN252相互通信。监视CAN250可以用于传递用户所选择的值和参数，例如包括所选择的自动或手动模式、自适应电压控制模式的启动或禁用、所使用的电压设置（例如，电压设置信号SetVolt(s)的电压）、上面所公开的预定的和存储的电压和电流水平等。控制模块214、218和222中的每个可以具有各自的存储装置（未示出），例如存储器或寄存器，以存储值和参数。

并行CAN252可以用于相互共享RI电力电路220的整流器、逆变器和变压器的电流和电压状态。这些状态可以被共享以确定、监视和调节RI电力电路220的电流和/或电压输出、和/或每个RI电力电路220上的负载。RI电力电路220的电流和/或电压输出、和/或RI电力电路220上的负载可以被调整和调节成相互匹配。并行CAN252也可以用于共享要发生操作模式之间的切换的定时。这确保RI电力电路220在相同的操作时段期间和/或在同一时间，在操作模式之间（例如，在旁路模式和UPS模式之间，以及在UPS模式下，在正常UPS模式和自适应电压控制模式之间）进行切换。在相同时段期间，这可以包括将UPS202的输出电压斜升或斜降。并行CAN252也可以用于相对于RI电力电路220中的每个共享频率信息。RI电力电路220中的每个的输出频率可以被匹配（即，RI电力电路220的输出的频率是相同的）。

可以使用多种方法操作上述UPS202，图6至图8中示出了这些方法的示例。在图6中，示出了自适应地调节UPS（例如，图1中的UPS12）的输出电压的方法的流程图。虽然主要关于图1至图5的实施方式来描述下面的任务，但是任务可以容易地修改以适用于本公开内容的其他实施方式。可以迭代地执行这些任务。方法可以在300处开始。

在302处，自动地或手动地启动UPS12。这包括将逆变器22和/或输出变压器30的输出电压增加至静态旁路电压。可以通过用户接口模块50或基于存储在存储器120中的预定的初始输出电压来选择UPS12的装置的输出电压，诸如整流器20的输出电压和逆变器22的输出电压。输出电压可以包括第一DC总线电压（例如，DC1）和静态旁路电压（例如，AC1）。虽然逆变器22的输出电压和输出变压器30的输出电压被增加，但是UPS12处于旁路模式下并且旁路开关26处于其旁路状态。这通过旁路开关26以第一AC电压V_ACIN直接向负载14提供公共设施电力或变电站电力。

在304处，自适应电压控制模块114和/或旁路控制模块106确定第三AC电压（或逆变器22的输出电压）V_INVOUT是否等于（匹配于）或近似等于第一AC电压V_ACIN（即，在第一AC电压V_ACIN的预定范围内）。当输出电压V_INVOUT匹配于或近似等于第一AC电压V_ACIN时，执行任务306。在306处，自适应电压控制模块114可以将操作模式从旁路模式切换到UPS模式。旁路控制模块106和/或旁路开关模块140生成旁路信号BYPASS，以改变旁路开关26的状态使得不再将整流器20、逆变器22和变压器28、30旁路。

在308处，自适应电压控制模块114可以确定旁路开关26是否已经成功地从静态旁路切换到逆变器22。这可以基于例如整流器20和逆变器22的电流水平和/或电压来确定。

在310处，自适应电压控制模块114确定是否启用自适应电压控制模式。当在手动模式或自动模式下时，这可以基于使能信号ENABLE来确定。如果启用自适应电压控制模式，则执行任务312，否则该方法可以保持在正常UPS模式下并且在314处结束。

当启用自适应电压控制模式时，执行任务312。在312处，UPS控制模块18和/或逆变器控制模块132将AC输出电压V_ACOUT从静态旁路电压AC1增加到等于第二AC电压基准AC2（例如，240VAC）的电压，第二AC电压基准AC2也是上面所讨论的设置的自适应电压。逆变器控制模块132可以将AC输出电压V_ACOUT从静态旁路电压斜升到等于第二AC电压基准AC2的电压。在逆变器控制模块132将AC输出电压V_ACOUT增加和/或斜升之前和/或之时，整流器控制模块130可以将第一DC电压基准DC1切换、增加和/或斜变到第二DC电压基准DC2。在预定的时间段内可以执行AC输出电压V_ACOUT的增加和/或斜升。当完成任务312时，该方法可以在314处结束。

在图7中，示出了切换到旁路模式的方法的流程图。虽然主要关于图1至图5的实施方式来描述下面的任务，但是任务可以容易地修改以适用于本公开内容的其他实施方式。可以迭代地执行任务。方法可以在350处开始。

在352处，如果自适应电压控制模块114从UPS模式切换到旁路模式，则执行任务354。自适应电压控制模块114可以基于控制信号AUTO/MAN、使能信号ENABLE、负载的变化等而切换到旁路模式。

在354处，自适应电压控制模块114确定AC输出电压V_ACOUT是否等于第一AC电压V_ACIN。应该理解，不需要精确的相等，并且如果它们近似相等，则认为V_ACOUT等于V_ACIN。如果AC输出电压V_ACOUT不等于第一AC电压V_ACIN，则执行任务356，否则执行任务358。

如果AC输出电压V_ACOUT不等于第一AC电压V_ACIN，则在356处逆变器控制模块132将AC输出电压V_ACOUT减小和/或斜降以匹配于或近似等于静态旁路电压。这可以包括AC输出电压V_ACOUT的逐渐减小。AC输出电压V_ACOUT的逐渐减小可以包括在预定的时间段内将AC输出电压V_ACOUT以增量的方式（incrementally）减小，导致AC输出电压V_ACOUT匹配于或近似等于静态旁路电压。整流器控制模块130可以将DC总线电压从第二DC电压基准DC2切换、减小和/或斜降到第一DC电压基准DC1。在逆变器控制模块132将AC输出电压V_ACOUT减小和/或斜降之前和/或之时，整流器控制模块130可以将DC总线电压切换、减小和/或斜降。在预定的时间段内可以发生DC总线电压和AC输出电压V_ACOUT的减小和/或斜降。

当AC输出电压V_ACOUT匹配于或近似等于静态旁路电压时，执行任务358。这在从UPS模式到旁路模式的切换期间允许不间断的电力切换和/或防止至负载14的电压的突然降低。在358处，旁路控制模块106和/或旁路开关模块140将旁路开关26从其非旁路状态切换到其旁路状态。在旁路状态下，旁路开关26将第一AC电压V_ACIN提供给UPS12的输出和/或AC负载14。该方法可以在360处结束。

在图8中，示出了在故障的情况下切换到旁路模式的方法的流程图。虽然主要关于图1至图5的实施方式来描述下面的任务，但是任务可以容易地修改以适用于本公开内容的其他实施方式。可以迭代地执行任务。方法可以在400处开始。

在402处，故障检测模块112确定是否检测到故障。如果检测到故障，则执行任务404。故障检测模块112在检测故障时可以确定故障的类型并且生成故障检测信号FAULT。故障检测模块112基于电压和电流水平V_ACIN、V_ACOUT、V_RECTIN、V_RECTOUT、V_INVIN、V_INVOUT、SetVolt(s)、I_RECTIN、I_RECTOUT、I_INVIN以及I_INVOUT和/或存储在存储器120中的预定的和存储的电压和电流水平中的一个或更多个，来检测故障并确定故障的类型。故障的类型可以指与包括整流器20、逆变器22和变压器28、30的UPS12的装置中的任一个或更多个相关联的故障。故障的类型可以包括不适当的输入和/或输出电流和/或电压水平、不适当的频率、不适当的噪音水平、不稳定的电流和/或电压水平等。故障检测信号FAULT可以表示故障已经发生以及故障的类型。

在404处，自适应电压控制模块114可以确定是否应执行从UPS模式到旁路模式的即时切换（immediate switchover）。该确定基于故障检测信号FAULT而做出。即时切换是指在切换到旁路模式之前没有AC输出电压V_ACOUT的受控制的斜降的情况下的切换。例如，当整流器20和/或逆变器22不正确操作并且不能够提供适当的电流和/或电压输出水平时，可以执行即时切换。例如，如果逆变器22不正确操作以斜降到静态旁路电压，则可以执行即时切换。要求从UPS模式到旁路模式的即时切换的故障可以被称为即时故障。

在406处，当要执行到旁路状态的即时切换时，自适应电压控制模块114切换到旁路模式，并且执行任务408。当没有执行即时切换时，自适应电压控制模块114延迟执行切换并且执行任务410。在408处，旁路控制模块106和/或旁路开关模块140将旁路开关26切换到旁路状态。在切换到旁路状态之后，该方法可以在416处结束。

在410处，自适应电压控制模块114和/或旁路开关模块140确定AC输出电压V_ACOUT是否等于（匹配于）或近似等于静态旁路电压（在静态旁路电压的预定范围内）。如果第四AC电压V_ACOUT不匹配于或近似等于第一AC电压V_ACIN（在第一AC电压V_ACIN的预定范围之内），则执行任务412，否则执行任务414。

在412处，逆变器控制模块132将第四AC电压V_ACOUT减小和/或斜降以匹配于或近似等于静态旁路电压。整流器控制模块130可以将DC总线电压从第二DC电压基准DC2切换、减小和/或斜降到第一DC电压基准DC1。在逆变器控制模块132将第四AC电压V_ACOUT减小和/或斜降之前和/或之时，整流器控制模块130可以切换、减小和/或斜降DC总线电压。

当第四AC电压V_ACOUT匹配于或近似等于静态旁路电压时，执行任务414。这在从UPS模式到旁路模式的切换期间允许不间断的电力转换和/或防止至AC负载14的电压的突然降低。在414处，旁路开关模块140将旁路开关26从非旁路状态切换到旁路状态。该方法可以在416处结束。

上述的图6至图8的任务是说明性示例；根据应用可以顺序地、同步地、同时地、连续地、在重叠的时间段期间或以不同的顺序来执行任务。

可以以各种形式实现本公开内容的广泛的教示。因此，虽然本公开内容包括特定的示例，但是本公开内容的实际范围不应如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，对技术人员来说其他的修改将变得明显。

Claims (20)

1.一种不间断电源UPS，包括：

整流器，所述整流器耦接至所述不间断电源的输入并且将具有第一交流电压的第一交流转换为提供至直流总线的直流；

逆变器，所述逆变器耦接至所述不间断电源的输出并且将通过所述直流总线提供的直流转换为具有第二交流电压的第二交流；

旁路开关，所述旁路开关具有旁路状态和非旁路状态，其中，所述旁路开关被配置成当在所述旁路状态下时，将所述整流器和所述逆变器旁路并且从所述输入向所述输出提供旁路电压；以及

控制模块，所述控制模块在旁路模式和UPS模式下操作，其中，所述控制模块在所述旁路模式下时将所述旁路开关切换到所述旁路状态，而在所述UPS模式下时将所述旁路开关切换到所述非旁路状态，

其中，在所述UPS模式下时，所述控制模块还在正常UPS模式和自适应电压控制模式下操作，以及

其中，在从所述旁路模式切换到所述UPS模式时，所述控制模块当在所述自适应电压控制模式下操作时，将所述第二交流电压从第一水平调节到第二水平。

2.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述控制模块当在所述旁路模式和所述正常UPS模式中的至少一种模式下时，将所述第二交流电压保持在所述第一水平处。

3.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述控制模块当在所述自适应电压控制模式下操作时，将所述第二交流电压从所述第一水平斜变到所述第二水平。

4.根据权利要求1所述的不间断电源，还包括故障检测模块，所述故障检测模块对所述不间断电源的装置的至少一个参数进行监视并且基于所述至少一个参数来生成故障信号，

其中，所述控制模块基于所述故障信号将所述第二交流电压从所述第二水平调节到所述第一水平。

5.根据权利要求4所述的不间断电源，其中，

所述故障检测模块确定故障的类型，并且在所述故障信号中表示所述故障的类型；以及

所述控制模块基于所述故障的类型将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态。

6.根据权利要求5所述的不间断电源，其中，所述控制模块：

基于所述故障的类型，确定是否要在所述第二交流电压没有逐渐减小的情况下执行从所述自适应电压控制模式到所述旁路模式的切换；

当故障为第一类型时，将所述第二交流电压从所述第二水平逐渐减小到所述第一水平并且将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态；以及

当故障为第二类型时，将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态并且将所述第二交流从所述第二水平调节到所述第一水平，而不将所述第二交流电压从所述第二水平逐渐减小到所述第一水平。

7.根据权利要求6所述的不间断电源，其中，所述控制模块：

确定所述第二交流电压和所述不间断电源的输出电压中的至少一个电压是否与所述不间断电源的输入电压和所述第一交流电压中的至少一个电压匹配；以及

当所述第二交流电压和所述不间断电源的输出电压中的所述至少一个电压与所述不间断电源的输入电压和所述第一交流电压中的所述至少一个电压匹配时，将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态。

8.根据权利要求5所述的不间断电源，其中，所述控制模块：

基于所述故障的类型，确定是否要执行从所述自适应电压控制模式到所述旁路模式的即时切换；

当故障不是即时故障时，将所述第二交流电压从所述第二水平斜降到所述第一水平并且将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述第一旁路状态；以及

当故障是即时故障时，将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态并且将所述第二交流电压从所述第二水平调节到所述第一水平，而不将所述第二交流电压从第二电压基准斜降到所述第一水平。

9.根据权利要求8所述的不间断电源，其中，

所述至少一个装置包括所述整流器和所述逆变器；以及

所述即时故障是指所述整流器和所述逆变器中的至少一个的故障。

10.根据权利要求1所述的不间断电源，还包括接口模块，所述接口模块：

生成控制信号，所述控制信号表示在自动模式或手动模式中选择的一种模式下操作；以及

生成使能信号，所述使能信号表示是否启用所述自适应电压控制模式，

其中，所述控制模块基于所述控制信号和所述使能信号，在所述旁路模式下的操作与所述自适应电压控制模式下的操作之间进行切换，并且在所述旁路状态与所述非旁路状态之间切换所述旁路开关。

11.根据权利要求1所述的不间断电源，其中，所述控制模块包括：

监视控制模块，所述监视控制模块：

生成控制信号，所述控制信号表示在自动模式或手动模式中选择的一种模式下操作；以及

生成使能信号，所述使能信号表示是否启用所述自适应电压控制模式，

电力控制模块，所述电力控制模块：

对所述不间断电源的装置进行监视并且在所述不间断电源中存在故障时生成故障信号，以及

基于所述控制信号、所述使能信号和所述故障信号，在所述旁路模式与所述自适应电压控制模式之间进行切换；以及

旁路开关控制模块，所述旁路开关控制模块基于所述控制信号、所述使能信号和所述故障信号而在所述第一旁路状态与所述非旁路状态之间切换所述旁路开关。

12.根据权利要求11所述的不间断电源，其中，

所述监视控制模块生成电压设置信号；以及

所述电力控制模块基于所述电压设置信号来调节所述直流总线的电压和所述第二交流电压。

13.根据权利要求11所述的不间断电源，其中，所述电力控制模块：

生成第一组标度值和第二组标度值；

当在所述旁路模式下操作时，基于所述第一组标度值来对所述整流器和所述逆变器的反馈回路进行操作；以及

当在所述自适应电压控制模式下操作时，基于所述第二组标度值来对所述整流器和所述逆变器的反馈回路进行操作。

14.根据权利要求1所述的不间断电源，还包括：

电压控制模块，所述电压控制模块将操作模式选择为所述旁路模式和所述自适应电压控制模式中的一种模式；

电压基准模块，所述电压基准模块生成至少一个直流信号和至少一个交流信号，其中，所述至少一个直流信号表示多个直流电压，并且其中，所述至少一个交流信号表示多个交流电压；

第一开关模块，所述第一开关模块基于所述操作模式来选择所述多个直流电压中的一个直流电压并且生成直流基准电压；以及

第二开关模块，所述第二开关模块基于所述操作模式来选择所述多个交流电压中的一个交流电压并且生成第二基准电压。

15.根据权利要求14所述的不间断电源，还包括：

整流器控制模块，所述整流器控制模块调节所述直流总线的电压以匹配所述直流基准电压；以及

逆变器控制模块，所述逆变器控制模块调节所述第二交流电压以匹配所述第二基准电压。

16.一种操作不间断电源UPS的方法，包括：

通过整流器，将具有第一交流电压的第一交流转换为直流；

通过逆变器，将所述直流转换为具有第二交流电压的第二交流；

确定是要在旁路模式下还是在UPS模式下进行操作；

当在所述旁路模式下时，将旁路开关切换到旁路状态；

当在所述旁路模式下时，通过以旁路电压从所述不间断电源的输入经由所述旁路开关向所述不间断电源的输出提供电力，来将在所述旁路模式下操作的所述整流器和所述逆变器旁路；

当在所述UPS模式下时，将所述旁路开关切换至非旁路状态；以及

在从所述旁路模式切换到所述UPS模式之后，当在所述UPS模式中的自适应控制模式下操作时，在第一电压水平与第二电压水平之间调节所述第二交流电压。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

监视所述不间断电源的装置的至少一个参数，并且基于所述参数生成故障信号；以及

基于所述故障信号，将所述第二交流电压从所述第二电压水平调节到所述第一电压水平。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

确定故障的类型并且在所述故障信号中表示所述故障的类型；以及

基于所述故障的类型，将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

基于所述故障的类型，确定在所述第二交流电压没有逐渐减小的情况下是否要执行从自适应电压控制模式到所述旁路模式的切换；

当故障为第一类型时，将所述第二交流电压从所述第二电压水平逐渐减小到所述第一电压水平，并且将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态；以及

当所述故障为第二类型时，将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态，而不将所述第二交流电压从所述第二电压水平逐渐减小到所述第一电压水平。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

确定所述第二交流电压和所述不间断电源的输出电压中的至少一个电压是否与所述不间断电源的输入电压和所述第一交流电压中的至少一个电压匹配；以及

当所述第二交流电压和所述不间断电源的输出电压中的所述至少一个电压与所述不间断电源的输入电压和所述第一交流电压中的所述至少一个电压匹配时，将所述旁路开关从所述非旁路状态切换到所述旁路状态。

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