CN108173447B - 配网级高频隔离型柔性直流换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的配网级高频隔离型柔性直流换流器，由3n或6n个高频隔离型基本功率单元相互连接而成，所述高频隔离型基本功率单元包括依次连接的非隔离型DC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和非隔离型DC/AC变换器；所述非隔离型DC/DC变换器的输入端作为高频隔离型基本功率单元的直流输入端，所述非隔离型DC/DC变换器的输出端与隔离型DC/DC变换器的输入端相连接，所述隔离型DC/DC变换器的输出端与非隔离型DC/AC变换器的输入端相连接，所述非隔离型DC/AC变换器的输出端作为高频隔离型基本功率单元的交流输出端；本发明实现了中压直流电能到中压交流电能的双向传输、电气隔离、波形控制等功能，同时采用模块化串并联设计，便于扩展，能够满足中压、中小容量电能变换的需求。

Description

配网级高频隔离型柔性直流换流器
技术领域
本发明属于配网级柔性直流输配电技术领域，涉及配网级高频隔离型柔性直流换流器。
背景技术
柔性直流输配电技术是一种比较新型的直流输配电技术，是构建智能电网的重要装备。与传统方式相比，柔性直流输配电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。
基于电压源换流器(VSC,Voltage Source Converter)和脉宽调制(PWM,PulseWidth Modulation)技术的电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC,Voltage SourceConverter High-Voltage Direct Current)技术是柔性直流输电在发展中具有代表性的关键技术之一。其中，以模块化多电平换流器(MMC,Modular Multilevel Converter)为核心的电压源换流器型高压直流输电技术，具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，因而得到了越来越多的关注和研究。但是，传统的柔直输配电技术需要工频变压器完成升降压、电气隔离等功能，成本高，占地面积大，电能变换形式单一，接口匹配性差，在配网领域应用较少。
固态变压器采用高频变换、隔离技术及模块化串并联技术，具有成本低、占地少、效率高、可控性高、智能化程度高等特点，能完成自检测、自诊断、自保护、自恢复等多种功能。此外，固态变压器方便与分布式发电技术、储能技术等配合，在智能电网、能源互联网等领域具有巨大的前景和发展空间。如何将固态变压器技术应用于柔性直流输配电领域也是一个亟待考虑的问题。
发明内容
本发明提出了配网级高频隔离型柔性直流换流器，实现了将模块化设计的固态变压器应用到配网级柔性直流输配电领域，并且功率等级和电压等级可以方便扩展，满足各种中压、中小容量的发电、配电、输电要求。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案是：
配网级高频隔离型柔性直流换流器，由3n或6n个高频隔离型基本功率单元相互连接而成，n为大于等于2的正整数，所述高频隔离型基本功率单元包括依次连接的非隔离型DC/DC变换器、隔离型DC/DC变换器和非隔离型DC/AC变换器；
所述非隔离型DC/DC变换器的输入端作为高频隔离型基本功率单元的直流输入端，所述非隔离型DC/DC变换器的输出端与隔离型DC/DC变换器的输入端相连接，所述隔离型DC/DC变换器的输出端与非隔离型DC/AC变换器的输入端相连接，所述非隔离型DC/AC变换器的输出端作为高频隔离型基本功率单元的交流输出端。
进一步，所述非隔离型DC/DC变换器采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑或三电平单相全桥拓扑中的一种拓扑结构，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含相应的直流滤波电容，均以桥式电路的直流侧作为所述非隔离型DC/DC变换器的输出端，以另一侧作为所述非隔离型DC/DC变换器的输入端。
进一步，所述非隔离型DC/AC变换器采用二电平全桥拓扑或者三电平全桥拓扑，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含交流滤波电感和相应的直流滤波电容，均以桥式电路的直流侧作为所述非隔离型DC/AC变换器的输入端，以另一侧作为所述非隔离型DC/AC变换器的输出端。
进一步，所述隔离型DC/DC变换器包括依次连接的原边DC/AC变换器、原边阻抗网络、高频隔离变压器、副边阻抗网络和副边AC/DC变换器；
所述原边DC/AC变换器的输入端作为隔离型DC/DC变换器的输入端，所述原边DC/AC变换器的输出端与原边阻抗网络的输入端相连接，所述原边阻抗网络的输出端与高频隔离变压器的输入端相连接，所述高频隔离变压器的输出端与副边阻抗网络的输入端相连接，所述副边阻抗网络的输出端与副边AC/DC变换器的输入端相连接，所述副边AC/DC变换器的输出端作为隔离型DC/DC变换器的输出端。
进一步，所述原边DC/AC变换器和副边AC/DC变换器拓扑结构，拓扑结构采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、二电平三相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑、三电平单相全桥拓扑或三电平三相全桥拓扑，均以桥式电路的直流侧作为所述原边DC/AC变换器的输入端或者所述副边AC/DC变换器的输出端，以另一侧作为所述原边DC/AC变换器的输出端或者所述副边AC/DC变换器的输入端。
进一步，所述原边阻抗网络和副边阻抗网络两者采用相同的拓扑结构，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含相应的直流滤波电容；
当所述原边DC/AC变换器和副边AC/DC变换器采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑或三电平单相全桥拓扑时，原边阻抗网络和副边阻抗网络为每个端口有两个端子的二端口，内部对应两条支路，支路采用一条支路串联单电感的拓扑，或者一条支路串联电感和电容的拓扑，或者一条支路串联电感、两条支路间并联电容的拓扑；
当所述原边DC/AC变换器和副边AC/DC变换器采用二电平三相全桥拓扑或三电平三相全桥拓扑时，原边阻抗网络和副边阻抗网络为每个端口有三个端子的二端口，内部对应三条支路，支路采用每条支路串联单电感的拓扑或每条支路串联电感和电容的拓扑。
进一步，所述高频隔离型基本功率单元之间的连接采用基于三相并联技术的单极式高频隔离型换流器拓扑、基于三相并联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑或者基于三相串联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑。
进一步，所述基于三相并联技术的单极式高频隔离型换流器拓扑包括3n个高频隔离型基本功率单元，3n个高频隔离型基本功率单元平均分为3组；每组的n个高频隔离型基本功率单元的直流输入端串联形成该组总的直流输入端，这3组的总的直流输入端并联形成系统的总的直流输入端；每组的n个高频隔离型基本功率单元的交流输出端串联形成一相，3个组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
进一步，所述基于三相并联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑包括6n个高频隔离型基本功率单元，6n个高频隔离型基本功率单元平均分为3个大组，每个大组再平均分为两个小组；每个小组的n个高频隔离型基本功率单元的直流输入端串联形成该小组总的直流输入端，同一大组内两个小组的总的直流输入端串联形成这个大组的总的直流输入端，3个大组的总的直流输入端再并联形成系统的总的直流输入端；每个小组的n个高频隔离型基本功率单元的交流输出端串联形成该小组总的交流输出端，同一大组内两个小组的总的直流输入端再反相并联形成一相，3个大组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
进一步，所述基于三相串联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑包括3n个高频隔离型基本功率单元，并将其平均分为3组；每组的n个高频隔离型基本功率单元的直流输入端串联形成该组总的直流输入端，这3组的总的直流输入端再串联形成系统的总的直流输入端；每组的n个高频隔离型基本功率单元的交流输出端串联形成一相，3个组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明实现了中压直流电能到中压交流的电能双向传输、高频电气隔离、波形控制等功能。
2)本发明摒弃了工频变压器，采用高频变换、隔离技术，成本低、占地面积小、效率高、环保无污染。
3)本发明采用模块化串并联设计，功率等级和电压等级可以方便扩展，满足各种中压、中小容量的发电、配电、输电要求。模块化设计也有利于缩短工程设计和加工周期，降低成本。模块化的功率单元采用相同容量的功率开关和无源器件，具有很强的可替代性，便于系统维护和冗余设计。
4)本发明将固态变压器变压技术应用于柔性直流输配电领域，系统可控性及智能化程度高，并且能完成自检测、自诊断、自保护、自恢复等多种功能。
附图说明
图1为所述基于三相并联技术的单极式高频隔离型换流器拓扑的示意图。
图2为所述基于三相并联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑的示意图。
图3为所述基于三相串联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑的示意图。
图4为所述高频隔离型基本功率单元的示意图。
图5为所述非隔离型DC/DC变换器采用二电平单相半桥拓扑结构时的示意图。
图6为所述非隔离型DC/DC变换器采用二电平单相全桥拓扑结构时的示意图。
图7为所述非隔离型DC/DC变换器采用三电平单相半桥拓扑结构时的示意图。
图8为所述非隔离型DC/DC变换器采用三电平单相全桥拓扑结构时的示意图。
图9为所述非隔离型DC/AC变换器采用二电平单相全桥拓扑结构时的示意图。
图10为所述非隔离型DC/AC变换器采用三电平单相全桥拓扑结构时的示意图。
图11为所述原边DC/AC变换器采用二电平单相半桥拓扑结构时的示意图。
图12为所述原边DC/AC变换器采用二电平单相全桥拓扑结构时的示意图。
图13为所述原边DC/AC变换器采用二电平三相全桥拓扑结构时的示意图。
图14为所述原边DC/AC变换器采用三电平单相半桥拓扑结构时的示意图。
图15为所述原边DC/AC变换器采用三电平单相全桥拓扑结构时的示意图。
图16为所述原边DC/AC变换器采用三电平三相全桥拓扑结构时的示意图。
图17为所述原边阻抗网络为每个端口有两个端子的二端口且采用一条支路串联单电感的拓扑的示意图。
图18为所述原边阻抗网络为每个端口有两个端子的二端口且采用一条支路串联电感和电容的拓扑时的示意图。
图19为所述原边阻抗网络为每个端口有两个端子的二端口且采用一条支路串联电感、两条支路间并联电容的拓扑时的示意图。
图20为所述原边阻抗网络为每个端口有三个端子的二端口且采用每条支路串联单电感的拓扑时的示意图。
图21为所述原边阻抗网络为每个端口有三个端子的二端口且采用每条支路串联电感和电容的拓扑时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图2和图3所示，本发明由3n图1和图3或6n图2个高频隔离型基本功率单元1构成，n为大于等于2的正整数，这些高频隔离型基本功率单元1相互连接形成配网级柔直系统。整个系统有一个直流输入端，可以连接高压直流电网等；有一个三相交流输出端，可以连接高压交流电网等。
如图4所示，所述高频隔离型基本功率单元1包括依次连接的非隔离型DC/DC变换器11、隔离型DC/DC变换器12和非隔离型DC/AC变换器13；所述非隔离型DC/DC变换器11的输入端作为高频隔离型基本功率单元1的直流输入端，所述非隔离型DC/DC变换器11的输出端与隔离型DC/DC变换器12的输入端相连接，所述隔离型DC/DC变换器12的输出端与非隔离型DC/AC变换器13的输入端相连接，所述非隔离型DC/AC变换器13的输出端作为高频隔离型基本功率单元1的交流输出端。
所述隔离型DC/DC变换器12包括依次连接的原边DC/AC变换器121、原边阻抗网络122、高频隔离变压器123、副边阻抗网络124和副边AC/DC变换器125；所述原边DC/AC变换器121的输入端作为隔离型DC/DC变换器12的输入端，所述原边DC/AC变换器121的输出端与原边阻抗网络122的输入端相连接，所述原边阻抗网络122的输出端与高频隔离变压器123的输入端相连接，所述高频隔离变压器123的输出端与副边阻抗网络124的输入端相连接，所述副边阻抗网络124的输出端与副边AC/DC变换器125的输入端相连接，所述副边AC/DC变换器125的输出端作为隔离型DC/DC变换器12的输出端。
如图5、图6、图7和图8所示，所述非隔离型DC/DC变换器11视具体情况可以采用二电平单相半桥拓扑如图5、二电平单相全桥拓扑如图6、三电平单相半桥拓扑如图7和三电平单相全桥拓扑如图8中的一种拓扑结构，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含相应的直流滤波电容，即二电平类型的拓扑需要一个电容，三电平类型的拓扑需要两个容值相同电容；不论采用哪种拓扑，均以桥式电路的直流侧作为所述非隔离型DC/DC变换器11的输出端，以另一侧作为所述非隔离型DC/DC变换器11的输入端。所述非隔离型DC/DC变换器11在系统需要它投入时可以通过使相应开关管开通或关断在输入端产生正一电平，在系统需要它切出时可以通过使相应开关管开通或关断在输入端产生零电平。
如图9和图10所示，所述非隔离型DC/AC变换器13视情况采用二电平全桥拓扑如图9或者三电平全桥拓扑如图10，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含交流滤波电感和相应的直流滤波电容，即二电平类型的拓扑需要一个电容，三电平类型的拓扑需要两个容值相同电容；不论采用哪种拓扑，均以桥式电路的直流侧作为所述非隔离型DC/AC变换器13的输入端，以另一侧作为所述非隔离型DC/AC变换器13的输出端。
如图11、图12、图13、图14、图15和图16所示，所述原边DC/AC变换器121视具体情况可以采用二电平单相半桥拓扑图11、二电平单相全桥拓扑图12、二电平三相全桥拓扑图13、三电平单相半桥拓扑图14、三电平单相全桥拓扑图15或三电平三相全桥拓扑图16，且副边AC/DC变换器125采用的拓扑结构应该与原边DC/AC变换器121类型相同，只需将对应图中拓扑水平翻转即可；不论采用哪种拓扑，均以桥式电路的直流侧作为所述原边DC/AC变换器121的输入端或者所述副边AC/DC变换器125的输出端，以另一侧作为所述原边DC/AC变换器121的输出端或者所述副边AC/DC变换器125的输入端。所述原边DC/AC变换器121和副边AC/DC变换器125采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含相应的直流滤波电容，即二电平类型的拓扑需要一个电容，三电平类型的拓扑需要两个容值相同电容。
如图17、图18、图19、图20和图21所示，当所述原边DC/AC变换器121采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑或三电平单相全桥拓扑时，所述原边阻抗网络122为每个端口有两个端子的二端口，内部对应两条支路，可以采用一条支路串联单电感的拓扑如图17，也可以采用一条支路串联电感和电容的拓扑如图18，还可以采用一条支路串联电感、两条支路间并联电容的拓扑如图19；当所述原边DC/AC变换器121采用二电平三相全桥拓扑或三电平三相全桥拓扑时，所述原边阻抗网络122为每个端口有三个端子的二端口，内部对应三条支路，可以采用每条支路串联单电感的拓扑如图20或每条支路串联电感和电容的拓扑如图21。副边阻抗网络124采用的拓扑结构应该与原边阻抗网络122相同，只需将对应图中拓扑水平翻转即可。
如图1所示，本发明的第一种方案是采用基于三相并联技术的单极式高频隔离型换流器拓扑，该方案需要3n个高频隔离型基本功率单元1，并将其平均分为3组；每组的n个高频隔离型基本功率单元1的直流输入端串联形成该组总的直流输入端，这3组的总的直流输入端再并联形成系统的总的直流输入端；每组的n个高频隔离型基本功率单元1的交流输出端串联形成一相，3个组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
如图2所示，本发明的第二种方案是采用基于三相并联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑，该方案需要6n个高频隔离型基本功率单元1，并将其平均分为3个大组，每个大组再平均分为两个小组；每个小组的n个高频隔离型基本功率单元1的直流输入端串联形成该小组总的直流输入端，同一大组内两个小组的总的直流输入端再串联形成这个大组的总的直流输入端，3个大组的总的直流输入端再并联形成系统的总的直流输入端；每个小组的n个高频隔离型基本功率单元1的交流输出端串联形成该小组总的交流输出端，同一大组内两个小组的总的交流输出端再并联形成一相交流输出端，3个大组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的三相交流输出端。
如图3所示，本发明的第三种方案是采用基于三相串联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑，该方案需要3n个高频隔离型基本功率单元1，并将其平均分为3组；每组的n个高频隔离型基本功率单元1的直流输入端串联形成该组总的直流输入端，这3组的总的直流输入端再串联形成系统的总的直流输入端；每组的n个高频隔离型基本功率单元1的交流输出端串联形成一相，3个组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
本发明的高频变压器采用高压隔离变压器，原副边隔离电压取决于所述的配网级柔直系统的两端电压。

Claims (8)

1.配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：由3n或6n个高频隔离型基本功率单元(1)相互连接而成，n为大于等于2的正整数，所述高频隔离型基本功率单元(1)包括依次连接的非隔离型DC/DC变换器(11)、隔离型DC/DC变换器(12)和非隔离型DC/AC变换器(13)；
所述非隔离型DC/DC变换器(11)的输入端作为高频隔离型基本功率单元(1)的直流输入端，所述非隔离型DC/DC变换器(11)的输出端与隔离型DC/DC变换器(12)的输入端相连接，所述隔离型DC/DC变换器(12)的输出端与非隔离型DC/AC变换器(13)的输入端相连接，所述非隔离型DC/AC变换器(13)的输出端作为高频隔离型基本功率单元(1)的交流输出端；
所述非隔离型DC/DC变换器(11)采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑或三电平单相全桥拓扑中的一种拓扑结构，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含相应的直流滤波电容，均以桥式电路的直流侧作为所述非隔离型DC/DC变换器(11)的输出端，以另一侧作为所述非隔离型DC/DC变换器(11)的输入端；
所述隔离型DC/DC变换器(12)包括依次连接的原边DC/AC变换器(121)、原边阻抗网络(122)、高频隔离变压器(123)、副边阻抗网络(124)和副边AC/DC变换器(125)；
所述原边DC/AC变换器(121)的输入端作为隔离型DC/DC变换器(12)的输入端，所述原边DC/AC变换器(121)的输出端与原边阻抗网络(122)的输入端相连接，所述原边阻抗网络(122)的输出端与高频隔离变压器(123)的输入端相连接，所述高频隔离变压器(123)的输出端与副边阻抗网络(124)的输入端相连接，所述副边阻抗网络(124)的输出端与副边AC/DC变换器(125)的输入端相连接，所述副边AC/DC变换器(125)的输出端作为隔离型DC/DC变换器(12)的输出端。
2.根据权利要求1所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述非隔离型DC/AC变换器(13)采用二电平全桥拓扑或者三电平全桥拓扑，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含交流滤波电感和相应的直流滤波电容，均以桥式电路的直流侧作为所述非隔离型DC/AC变换器(13)的输入端，以另一侧作为所述非隔离型DC/AC变换器(13)的输出端。
3.根据权利要求1所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述原边DC/AC变换器(121)和副边AC/DC变换器(125)拓扑结构，拓扑结构采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、二电平三相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑、三电平单相全桥拓扑或三电平三相全桥拓扑，均以桥式电路的直流侧作为所述原边DC/AC变换器(121)的输入端或者所述副边AC/DC变换器(125)的输出端，以另一侧作为所述原边DC/AC变换器(121)的输出端或者所述副边AC/DC变换器(125)的输入端。
4.根据权利要求3所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述原边阻抗网络(122)和副边阻抗网络(124)两者采用相同的拓扑结构，采用IGBT或MOSFET功率器件及相应的反并联二极管，同时包含相应的直流滤波电容；
当所述原边DC/AC变换器(121)和副边AC/DC变换器(125)采用二电平单相半桥拓扑、二电平单相全桥拓扑、三电平单相半桥拓扑或三电平单相全桥拓扑时，原边阻抗网络(122)和副边阻抗网络(124)为每个端口有两个端子的二端口，内部对应两条支路，支路采用一条支路串联单电感的拓扑，或者一条支路串联电感和电容的拓扑，或者一条支路串联电感、两条支路间并联电容的拓扑；
当所述原边DC/AC变换器(121)和副边AC/DC变换器(125)采用二电平三相全桥拓扑或三电平三相全桥拓扑时，原边阻抗网络(122)和副边阻抗网络(124)为每个端口有三个端子的二端口，内部对应三条支路，支路采用每条支路串联单电感的拓扑或每条支路串联电感和电容的拓扑。
5.根据权利要求3所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述高频隔离型基本功率单元(1)之间的连接采用基于三相并联技术的单极式高频隔离型换流器拓扑、基于三相并联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑或者基于三相串联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑。
6.根据权利要求5所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述基于三相并联技术的单极式高频隔离型换流器拓扑包括3n个高频隔离型基本功率单元(1)，3n个高频隔离型基本功率单元(1)平均分为3组；每组的n个高频隔离型基本功率单元(1)的直流输入端串联形成该组总的直流输入端，这3组的总的直流输入端并联形成系统的总的直流输入端；每组的n个高频隔离型基本功率单元(1)的交流输出端串联形成一相，3个组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
7.根据权利要求5所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述基于三相并联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑包括6n个高频隔离型基本功率单元(1)，6n个高频隔离型基本功率单元(1)平均分为3个大组，每个大组再平均分为两个小组；每个小组的n个高频隔离型基本功率单元(1)的直流输入端串联形成该小组总的直流输入端，同一大组内两个小组的总的直流输入端串联形成这个大组的总的直流输入端，3个大组的总的直流输入端再并联形成系统的总的直流输入端；每个小组的n个高频隔离型基本功率单元(1)的交流输出端串联形成该小组总的交流输出端，同一大组内两个小组的总的直流输入端再反相并联形成一相，3个大组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
8.根据权利要求5所述的配网级高频隔离型柔性直流换流器，其特征在于：所述基于三相串联技术的双极式高频隔离型换流器拓扑包括3n个高频隔离型基本功率单元(1)，并将其平均分为3组；每组的n个高频隔离型基本功率单元(1)的直流输入端串联形成该组总的直流输入端，这3组的总的直流输入端再串联形成系统的总的直流输入端；每组的n个高频隔离型基本功率单元(1)的交流输出端串联形成一相，3个组共形成3相，3相再按照星型连接构成系统的总的交流输出端。
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