CN106251755B - 一种便携式光伏电站模拟仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式光伏电站模拟仪。该装置包括设置在装置本体表面的仪表显示区域、人机交互区域、功能控制区域，置在装置本体内的数据处理及控制模块、若干光伏信息采集模块、DC/DC控制模块、逆变模块、储能单元、不同负载单元，用于接收当前装置所处位置环境数据的环境数据采集模块，以及与装置本体活动连接的侧翼板，且该侧翼板正面放置有光伏组件阵列。本发明装置将传统光伏电站的全部功能微缩在一个便携箱内，大大降低了成本，同时微型化设计大大方便了科学研究。

Description

一种便携式光伏电站模拟仪

技术领域

本发明属于太阳能光伏产业领域，具体涉及一种便携式光伏电站模拟仪。本发明将传统上工业大型的光伏电站按比例微缩成一个小型模拟平台，在实验室即可模拟工业现场电站活动，大大减少了研究太阳能电站运行和监控的实验成本。

背景技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。因此，与其它新型发电技术(风力发电与生物质能发电等)相比，太阳能光伏发电是一种具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术。

传统大型光伏电站建设耗资巨大，且在大型工业现场是真实生产，对相关电能质量有严格的要求，所以即使高校有相关合作，也难以进行科研模拟实验。没有相关实验的支撑，对太阳能电站的研究也就无从谈起。随着近年来教学设施投入的不断加大，一些高校也出现了太阳能光伏电站的大型实验室，有一套比较齐全的太阳能光伏电站的实验平台。不过这些实验室的建立都是在巨额资金投入的基础上，一个实验室下来动辄就要百万、甚至千万级别。而且此类实验室的设计完全模拟大型电站，对一些深层次的研究还是有很大的局限，例如大型成品逆变柜、控制柜的采用，使得电站的运行状态不能以数据的形式直接储存，给后续分析、研究带来很大不便。

传统光伏教学仪器结构简单，可完成的相关实验有限，大多作为学生的演示、实训平台，其相关实验也是大多只是设计基础实验，如太阳能发电原理，逆变原理等；由于设计的功能的单一性和涉及实验的基础性，作为科研仪器使用却是远远不足。所以现在急需一种既能较好的模拟真实电站的运行情况，又兼具设备携带轻便、价格低廉的实验设备。

鉴于上述原因，我们提出并设计了一种便携式光伏电站模拟仪，本发明即能够实现太阳能真实电站的基本运行，并完成传统太阳能教学仪器的光伏阵列能量变换技术实验、并网逆变电源技术实验、太阳能控制器技术实验、模拟复杂环境下电站的运行状态、离网逆变电源技术实验等基本功能实验，还能够完成一些拓展实验，以提供更高级的太阳能相关研究，如现场监控太阳能发电状况，模拟阴影遮挡现象，光斑效应等，并且能够使用无线传输方式把实验相关的数据传送到云端平台，以供后期的数据分析使用；本发明使用良好的人机交互方式来实现相关的实验内容，而且本发明可以在软件端改变光伏组件的组串结构；本发明便携式光伏电站模拟仪，不仅能够室内使用模拟光源，还能够方便的移动到室外24小时工作以全仿真真实发电站的发电情况。而这些设计都将很大的方便相关科研人员使用。将大型光伏电站微缩为一个成本低、可操作性强便携式光伏电站模拟仪，并将相应电站运行参数、环境信息的采集、处理、发送存储等设计加入微型电站，是本发明的一大亮点，同时也是本发明设计的一大挑战。

发明内容

本发明目的是针对现有大型光伏电站难以做实验，传统光伏电站教学仪器难以模拟真实电站运行的情况，设计发明了一种便携式光伏电站模拟仪。

本发明包括设置在装置本体表面的仪表显示区域、人机交互区域、功能控制区域，置在装置本体内的数据处理及控制模块、若干光伏信息采集模块、DC/DC控制模块、逆变模块、储能单元(即为蓄电池组)、不同负载单元，用于接收当前装置所处位置环境数据的环境数据采集模块，以及与装置本体活动连接的侧翼板，且该侧翼板正面放置有光伏组件阵列；

所述的仪表显示区域相当于现有大型光伏电站控制室监控电站的大型仪表显示区，用以显示本发明模拟仪的运行参数，例如直流负载电流、蓄电池电压、逆变电压、逆变电流、逆变功率等。

所述的人机交互区域可控制和监控整个本发明模拟仪的运行，其中包括监控每块光伏组件的电流电压、更改电池板的拓扑结构(串并联)及类似于传统大型光伏电站的总的输出电流、电压、功率，负载端的电压、电流、消耗功率，逆变后的各类参数，环境参数等。

作为优选，人机交互区域设有一键式模式切换功能，用以切换光伏组件阵列中各光伏组件的串并联组合；这与传统教仪的预留插孔的方式相比，更便捷、更安全。

所述的功能控制区域用于设置太阳能电站模拟仪的部分功能的通断，类似于大型光伏电站的总控室的控制台，例如总电源开关，用于开启或关闭整个实验平台；逆变器开关，用于控制太阳能模拟电站的直流逆变和交流输出，比如220V交流电机、220V交流警示灯等；直流负载开关，用于控制太阳能模拟电站的直流输出，以便模拟各种真实场景中的负载，比如12V直流风扇、12V直流LED灯等。

所述的光伏组件阵列由多个光伏组件以不同的串并联方式构成，是太阳能模拟的基础组成部分，是光能转化为电能的关键。就太阳能电站而言，光伏组件只要跟踪好太阳光入射角度，就能够很好的保证发电效率。作为优选，本装置翼板上的光伏组件尽量均匀、规则分布，以便于后期涉及到的阴影遮挡等试验，这里每块光伏组件代表一个大型电站的一个很大区域。选用单个的光伏组件电压不应太高，一般以5～10V为益，这样不同的串并联组合的设计才能更好的组合出适合的输出电压，又由于是微型便携式电站，光伏组件应选用小尺寸。

所述的环境数据采集模块是利用各不同功能的传感器收集当前环境数据，其中环境数据包括辐照度、温度、湿度、经纬度、高度角、方位等基本参数，此模块相对于整个装置是可拆卸式。该环境数据采集模块可以采用辐照计、温湿度传感器、GPS、角度传感器进行获取。作为优选，根据模拟不同的环境，环境数据采集模块设置在装置本体的内部或者四周。这样的活动设计，一方面做到了携带时对传感器的保护，另一方面也是基于对本装置小型化设计的考虑。

所述的光伏信息采集模块是针对每一个光伏组件设计的，用于单独采集所负责的某一光伏组件转换电压、电流、功率等参数。每一个光伏组件由于在生产过程中总会存在不可避免的误差，所以即使是同一产品，也总是存在差异。本发明采用这样的设计可用于针对部分光伏组件异常情况下的故障分析、诊断、优化等。同时各光伏信息采集模块模块间的通讯，通过总线的方式形式进行。本发明在满足实验的同时，采用一个光伏组件模拟大型光伏电站的一片区域，做到了便携式、小型化的要求。

所述的DC/DC控制模块的作用是根据自身反馈的输出信息，采用直流斩波的技术完成输出电压的调节，以达到调控的目的，分别是稳压输出和最大功率输出(MPPT)。稳压输出就是不论输入端如何，尽量保持输出电压稳定在设定值；最大功率输出是根据模块自身反馈的输出功率信息，不断搜索最大功率输出点以保证光伏组件的最大功率输出。本发明便携式光伏电站模拟仪的DC/DC控制模块预留有程序烧录接口，可以进行控制程序、算法的二次开发，进一步不断更新算法，就能验证、对比各种算法下的最大功率输出实验。这一设计是普通光伏教学仪器和太阳能光伏电站和实验室所不具备的，大大方便了科研人员的使用。

所述的数据处理及控制模块实现的功能是将采集的电压、电流、功率等信息及环境数据采集模块返回的环境信息汇集、处理，并通过485总线的方式传到人机交互界面处，或通过GPRS或网线的方式传送到远程控制端(即云服务)。在控制器型号的选择时，一方面需要控制器有较强的数据处理能力，另一方面是功耗方面相对较低的要求。本发明可以选择ST公司的STM32F103系列。STM32F103系列不仅性能优异，在业界被广泛使用，而且功耗也相对较低，为本装置的小型化设计带来了便利。

所述的逆变模块是大型光伏电站中不可或缺的一部分，其作用就是将直流电转换成易于传输的交流电。为了逆变的更深一步研究，逆变模块的控制器处预留有程序的烧录接口。由于本发明实施例储能单元采用12V的蓄电池组，故此处逆变模块的具体任务就是在离网情况下将12V直流电逆变为220V50HZ的交流电。

所述的负载单元主要是完成相应产生的电能的消耗，模拟大型电站中相应电能的输出，组成一个孤岛式太阳能电站的电能产生到消耗的完整回路。

作为优选，侧翼板底端设有翼板锁定器，用于锁定侧翼板；

作为优选，装置本体底部设有移动辅助器件，用以推动装置；同时移动辅助器件上设有固定辅助器件，用以将移动辅助器件锁扣，使得试验台不能移动。

作为优选，侧翼板通过万向节连接器与装置本体活动连接；侧翼板背面设有可伸缩支撑件，用以支撑张开时的侧翼板。通过万向节连接器和可伸缩支撑件配合，侧翼板可自由活动，使得调节侧翼板与水平面处于0～90°的任意角度。这样在室外复杂环境下，可根据实际环境中太阳光的入射角度手动调节，以使得本装置运行在最佳状态。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明装置将传统光伏电站的全部功能微缩在一个便携箱内，大大降低了成本，同时微型化设计大大方便了科学研究。特别是在装置下部设置移动辅助器件和固定辅助器件，既便于装置的移动，又可以在到达目的地后将辅助装置锁死，使得试验台不能随意移动。

(2)本发明装置的每个光伏组件上均有一套用于检测电流、电压的光伏信息采集模块，使得实验时每个光伏组件均能代表大型电站中的一片区域，从而获得相应数据。

(3)太阳能光伏组件的阻串结构的切换设计采用一键切换的方式，相较于传统教仪预留插孔接口的方式，这种设计方便、快捷、安全。

(4)由于光伏组件内部内阻的存在，必然导致光伏组件内部电能的消耗。本发明DC/DC控制模块的设计就是为了研究不同控制策略，以完成光伏组件阵列最大功率输出的目的。这方面的研究对提高光伏电站更高电能输出有很大的帮助。

(5)本发明的DC/DC控制模块和逆变模块均预留有控制器的程序烧录接口，可根据自己的需要更改相应的控制算法和策论。这一设计是以往各种科研仪器都不曾有的。

附图说明

图1为本发明装置本体结构的正视图(侧翼板未展开时)；

图2为本发明装置本体结构的正视图(侧翼板展开时)；

图3为本发明装置本体结构的俯视图(侧翼板展开时)；

图4为本发明装置内部的模块信号走向流程图；

图5为本发明装置内部的模块电能走向流程图；

图中标记：仪表显示区域1、人机交互区域2、光伏组件阵列3、电源控制区域4、功能控制区域5、锁定机构6、移动辅助器件7、环境数据采集模块8、翼板锁定器9、侧翼板10、万向节连接器11、可伸缩支撑件12。

具体实施方式

下面结合附图对本专利做进一步说明。

如图1、图2所示，一种太阳能光伏微缩电站模拟平台的装置本体正面面板上设有仪表显示区域1、人机交互区域2、电源控制区域4、功能控制区域5；两个侧翼板10通过万向节连接器11分别设置在装置本体的左右两侧，且两个侧翼板10的正面上均设有光伏组件阵列3；光伏组件阵列3由多个光伏组件以不同的串并联方式构成，这些光伏组件在侧翼板10正面上呈周期性排布。两个侧翼板10底端设有翼板锁定器9，该翼板锁定器9用于将侧翼板10锁定在装置本体上，防止便携式光伏电站模拟仪在非运行状态下，甚至便移动时翼板张开；同时两个侧翼板10的背面设有可伸缩支撑件12，用以支撑侧翼板10。环境数据采集模块8放置在装置本体的顶部；四个移动辅助器件7分别固定在装置底部的四角，这四个器件对称分布，用于支撑整个试验台，便于使用者移动试验台；其中移动辅助器件7设有用于锁定移动辅助器件7的固定辅助器件，用以将试验台的移动组件锁扣，使得试验台将不能移动；

该便携式光伏电站模拟仪正面相当于大型电站的控制室。打开模拟平台总电源控制模块(相当于控制室总电源)，仪表显示区域(相当于控制室监控电站运行数据)会显示模拟平台的运行参数(如直流负载电流、蓄电池电压、逆变电流等)。人机交互区域、仪表显示区域和电源、功能控制区四部件的组合，相当于大型电站的总控室和监控室。

本实施例仪表显示区域1可以选装各种规格的仪表设备，例如电压表、电流表多功能表，数量也可以按需添加或减少；人机交互区域2选用800*600的工控屏，配有专门为本模拟仪设计的嵌入式人机界面；电源控制区域4、功能控制区域5依次排列在太阳能电站试验台人机交互区域的下方，本实施例选用两种类型的开关，大一些是电源、蓄电池等开关，小一点的是逆变、负载等功能开关；

本发明装置本体内还设有数据处理及控制模块、若干光伏信息采集模块、逆变模块、DC/DC控制模块、储能单元(即为蓄电池组)、不同负载单元，以及装置本体的内部或伏组件四周还设有用于接收当前装置所处位置环境数据的环境数据采集模块。如图4所示，每个光伏信息采集模块分别负责一个光伏组件，将获取到的电压、电流、功率等参数后传输至数据处理及控制模块；环境数据采集模块将采集到环境信息也传输至数据处理及控制模块；同时逆变模块将自身的逆变电压、电流、功率、频率信息传输到数据处理及控制模块；DC/DC控制模块将自身的输出前后电压、电流、功率等信息传输到数据处理及控制模块；数据处理及控制模块将上述这些数据汇同传入人机交互区域或远程控制端(即云服务)；另一方面人机交互界面相关参数的更新，经数据处理及控制模块传入逆变模块和DC/DC控制模块。

如图5所示，光伏组件阵列产生的电能经DC/DC控制模块分为两路：一部分到蓄电池组和直流负载前端，这部分电能会用来带动直流负载，若有剩余会对蓄电池组进行充电储能，若不足则会使用蓄电池组中以储存的电能进行补充；另一部分多余的电能传输到逆变模块前端，经逆变产生220V50HZ的交流电，最后并入电网或给交流负载供电。

如图3所示，这里的光伏组件阵列3均是由多个光伏组件以不同的串并联形式构成。这里的光伏组件的串并联形式由人机交互区域中一键式模式切换功能进行控制，该模式切换功能的实现为现有成熟技术。

对于本发明便携式光伏电站模拟仪进行传统教学仪器的实验，将以辐照度和温度对光伏组件光电转换性能影响实验为例进行说明。以下实施例环境数据采集模块8，选用集成光照传感器、温度传感器和湿度传感器，三种传感器集成到一个成品传感器上，三种数据通过总线方式传入电站内部。此装置是可以移动的，通过线束与数据处理及控制模块相连接，而且可方便置于模拟仪的箱体内。同时也根据实验需要，将多个环境数据采集模块放置在不同光伏组件四周。

实施例1：辐照度和温度对光伏组件光电转换性能测量的影响实验

(1)实验室内启动辅助光源等设备，保证便携式光伏电站模拟仪能够在此环境下正常运行；

(2)打开便携式光伏电站模拟仪的侧翼板，使得翼板上的光伏组件与入射光角度尽量垂直，以便光伏电站模拟仪处于最好运行状态；

(3)将环境数据采集模块置于光伏组件阵列周围，以采集真实实验环境信息，包括辐照度、温度、湿度；

(4)依次打开功能控制区域的总电源开关、直流负载开关；这样辐照度和温度对光伏组件光电转换性能影响实验的基础部分已完成；

(5)使用控制变量法，将辐照度作为变量，采集一系列数据；然后将辐照度作为定量，光伏组件表面温度作为变量，记录一系列数据。如此即可根据记录或云端提取数据便可分析辐照度和温度对光伏组件光电转换性能影响。

实施例2：模拟阴影遮挡实验

(1)将便携式光伏电站模拟仪移动至合适的环境中，或实验室内启动辅助光源等设备，保证便携式光伏电站模拟仪能够在此环境下正常运行；

(2)打开便携式光伏电站模拟仪的侧翼板，使得翼板上的光伏组件与入射光角度尽量垂直，以使光伏电站模拟仪处于最好运行状态；

(3)将环境数据采集模块8置于光伏组件阵列周围，以采集真实实验环境信息；

(4)依次打开功能控制区域的总电源开关、直流负载开关；这样模拟阴影遮挡实验的基础部分已完成；

(5)对单个或多个光伏组件进行遮挡，注意对应的集成传感器(也就是环境数据采集模块8)也应进行遮挡。多做几种不同的遮挡实验，并在人机交互界面处记录，或从云端提取数据进行分析，就能研究阴影遮挡对电站的影响情况。

实施例3：离网下的逆变电源技术实验

(1)将便携式光伏电站模拟仪移动至合适的环境中，或实验室内启动辅助光源等设备，保证便携式光伏电站模拟仪能够在此环境下正常运行；

(2)打开便携式光伏电站模拟仪的侧翼板，使得翼板上的光伏组件与入射光角度尽量垂直，以使光伏电站模拟部分处于最好运行状态；

(3)将环境数据采集模块8置于光伏组件阵列周围，以采集真实实验环境信息；

(4)依次打开功能控制区域的总电源开关、逆变开关、交流负载开关；这样离网下的逆变电源技术实验的基础部分已完成；

(5)打开人机交互界面中的离网下的逆变电源技术实验界面，这里设定有离网逆变控制的输入电压、逆变效率、逆变频率、负载能力等几个重要参数，分别调节参数大小以便对离网逆变进行研究；

(6)逆变模块的算法更新：根据逆变器已有的硬件部分，编程实现自己的控制算法和策略，通过预留的接口进行烧录，之后依次进行步骤(1)-(5)，即可观察效果，并记录数据。

逆变器本身有对逆变电压、电流、功率、频率信息的采集，然后这些数据会通过总线的方式传输到数据处理及控制模块，在数据处理及控制模块，这些数据汇同其他数据会以485总线的方式传入人机交互界面处和以GPRS的方式传送到远程控制端(即云服务)；另一方面人机交互界面相关参数的更新，会产生相应的数据以一定格式通过总线方式传入逆变模块的控制器，控制器中的对应参数就会完成更新，进而逆变模块做出相应的控制反应。

实施例4：最大功率输出(MPPT)实验：

(1)将便携式光伏电站模拟仪移动至合适的环境中，或实验室内启动辅助光源等设备，保证便携式光伏电站模拟仪能够在此环境下正常运行；

(2)打开便携式光伏电站模拟仪的侧翼板，使得翼板上的光伏组件与入射光角度尽量垂直，以使光伏电站模拟仪处于最好运行状态；

(3)将环境数据采集模块置于光伏组件阵列周围，以采集真实实验环境信息；

(4)依次打开功能控制区域的总电源开关、DC/DC控制开关、直流负载开关；这样最大功率输出(MPPT)实验的基础部分已完成；

(5)打开人机交互界面中的最大功率输出实验界面，这里设定有MPPT控制器的几个重要参数，我们可以分别调节参数大小以便对电站的最大功率输出进行研究；

(6)MPPT控制算法的更新：根据DC/DC控制模块已有的硬件部分，编程实现自己的控制算法和策略，通过预留的接口进行烧录，之后依次进行步骤(1)-(5)，即可观察效果，并记录数据。

DC/DC控制模块自身有对输出前后电压、电流、功率等信息的采集，然后这些数据会以总线的方式传输到数据处理及控制模块，在数据处理及控制模块，这些数据汇同其他数据会以485总线的方式传入人机交互界面处，并以GPRS的方式传送到远程控制端(即云服务)；另一方面人机交互界面相关参数的更新，会产生相应的数据一定格式通过总线方式传入DC/DC模块的控制器，控制器中的对应参数就会完成更新，进而是根据算法的一系列自动控制反应。

实施例5：组件、组串电路的拓扑关系实验

((1)将便携式光伏电站模拟仪移动至合适的环境中，或实验室内启动辅助光源等设备，保证便携式光伏电站模拟仪能够在此环境下正常运行；

(2)打开便携式光伏电站模拟仪的侧翼板，使得翼板上的光伏组件与入射光角度尽量垂直，以使光伏电站模拟仪处于最好运行状态；

(3)将环境数据采集模块置于光伏组件阵列周围，以采集真实实验环境信息；

(4)通过人机交互区域上的一键式模式切换功能切换光伏组件阵列的拓扑结构(即光伏组件的串并联结构)，多做几种不同串并联形式的光伏组件阵列实验，并在人机交互界面处记录，或从云端提取数据进行分析，就能研究组件、组串电路的拓扑关系对电站的影响情况。

本发明便携式光伏电站模拟仪的便携及低成本的特点，十分方便我们科研人员将在多个地区放置模拟仪，以便研究不同地区，不同光照、温湿度等复杂环境下太阳能电站的发电情况，对比研究。另本模拟平台设计的故障分析、智能预警等实验多为数据分析类，将不具体说明。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于包括设置在装置本体表面的仪表显示区域、人机交互区域、功能控制区域，设置在装置本体内的若干光伏信息采集模块、数据处理及控制模块、DC/DC控制模块、逆变模块、储能单元、不同负载单元，用于接收当前装置所处位置环境数据的环境数据采集模块，以及与装置本体活动连接的侧翼板，且该侧翼板正面放置有光伏组件阵列；其中光伏组件阵列由若干光伏组件以不同的拓扑结构形式构成，光伏组件为太阳能电池板；

环境数据采集模块将采集到的环境数据传输至数据处理及控制模块；

光伏信息采集模块采集各自负责的光伏组件转换电压、电流、功率参数，然后将采集的数据传输至数据处理及控制模块；

逆变单元将自身的逆变电压、电流、功率、频率信息传输到数据处理及控制模块；

数据处理及控制模块将接收到数据信息处理分析后，传送至仪表显示区域、人机交互界面处，同时传输至云服务；

人机交互区域用以控制和监控装置的运行，其中包括监控每块太阳能电池板的电流电压、更改电池板的拓扑结构及电站的输出电流、电压、功率；

DC/DC控制模块将自身的输出前后电压、电流、功率信息传输到数据处理及控制模块，同时人机交互区域产生的人机交互参数，经数据处理及控制模块传入DC/DC控制模块，使得DC/DC控制模块做出相应的控制反应，从而实现完成最大功率输出实验；DC/DC控制模块将光伏组件阵列产生的电能分为两路：一部分到蓄电池组和直流负载前端，这部分电能会用来带动直流负载，若有剩余会对储能单元进行充电储能，若不足则使用储能单元中已储存的电能进行补充；另一部分多余的电能传输到逆变单元前端，经逆变产生220V50HZ的交流电，最后并入电网或给交流负载供电；

逆变单元将自身的逆变电压、电流、功率、频率信息传输到数据处理及控制模块，同时人机交互区域产生的人机交互参数，经数据处理及控制模块传入逆变单元，使得逆变单元做出相应的控制反应，从而实现完成离网下的逆变电源技术实验。

2.如权利要求1所述的一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于所述的太阳能电池板的拓扑结构由人机交互界面中一键式模式切换功能进行控制各太阳能电池板的串并联组合。

3.如权利要求1所述的一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于环境数据采集模块与装置可拆卸连接。

4.如权利要求1所述的一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于根据模拟环境的不同，环境数据采集模块设置在装置本体的内部或光伏组件四周。

5.如权利要求1所述的一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于侧翼板通过万向节连接器与装置本体活动连接。

6.如权利要求1所述的一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于侧翼板背面设有可伸缩支撑件，用以支撑张开时的侧翼板。

7.如权利要求1所述的一种便携式光伏电站模拟仪，其特征在于装置底部设置有移动辅助器件，用以推动电站，同时移动辅助器件上设有固定辅助器件，用以将试验台的移动组件锁扣，使得试验台将不能移动。

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