CN109742780A - 基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,包括模块化多电平变换器、隔离型直流变换模组、储能模组;所述模块化多电平变换器中每相桥臂相同编号的子模块直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元输入端相连,所述隔离型直流变换单元的输出端与储能单元的输入端相连。本发明的系统采用相间集中互联与整体对称分布的能量存储方式,克服了传统集中储能系统可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂不易管理的缺陷,大大减少了储能单元数量和系统控制复杂度,为电力系统提供高质量、操作安全、控制简单的分布式储能系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种相间分布式储能系统,具体涉及一种电力电子技术领域中的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统。
背景技术
太阳能、风能等可再生能源大规模并网应用已成为21世纪人类社会发展的重要标志。随着系统功率等级和可再生能源并网需求不断增大,其间歇性和波动性给系统稳定运行带来的问题越来越凸显。为抑制可再生能源发电并网波动,加入储能系统作为额外备用实现系统调频、调压以及动态供需平衡,以此改善电能质量,保障电网供电系统安全可靠运行。
模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)作为一种多电平功率变换装置,具备高度模块化、可扩展性强、等效开关频率高、容错能力强等优点,已广泛应用于柔性直流输电中。可将其与储能单元相结合组成基于MMC的储能系统,该系统利用其模块化特性可灵活调控储能单元两端电压范围,提高了系统工作效率和可靠性。同时,其具备公共直流母线,在电力能量路由器和交直流混合能源互联网中展现出良好的应用前景。
近年来,基于MMC的储能系统按拓扑应用形式可分为集中式储能系统和分布式储能系统,按是否隔离可分为非隔离型储能系统和隔离型储能系统。传统集中式储能系统,将储能单元(energy storage unit,ESU)直接并联于高压直流侧,结构简单,但其储能单元串联数量较多,容量利用率较低,一旦出现故障则需停机维修,严重影响系统可靠性。传统分布式储能系统将储能单元分散接入MMC各子模块(sub-module,SM)的直流侧,储能单元两端电压灵活可控。但由于储能单元的内阻、容量等不可避免的存在一些差异,即使各个子模块的输出功率一致,其荷电状态的差异也会逐渐增大,因此,需对各子模块中储能单元荷电状态进行复杂的均衡控制。同时,分布于各个子模块中的储能单元给其安装、维护、更换、管理带来大大不便,且随着系统容量的增大,子模块数目增加,其子模块间电容电压不平衡更加严重,导致其各个模块电容电压平衡更加难以控制。因此,基于模块化多电平变换器的储能系统拓扑改进已刻不容缓。
基于MMC的储能系统中非隔离式储能无隔离变压器,系统成本小,应用较为广泛,但在中高压领域,考虑控制安全及延长储能系统使用寿命,需增加高频隔离变压器装置构成隔离式储能系统。因此,本发明所述的基于MMC的相间分布式储能系统避免了传统集中储能系统可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂不易管理的缺点,涉及了基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统。
发明内容
本发明的目的在于克服传统集中式储能系统储能单元容量利用率低、可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂,储能单元装配、维护、管理不便的缺陷,提供了基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,采用相间集中互联与整体对称分布的能量存储方式,结合了集中式储能系统和分布式储能系统两者的优点,大大减少了储能单元数量和系统控制复杂度,为电力系统提供高质量、操作安全、控制简单的分布式储能系统。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:
一种基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,包括:模块化多电平变换器1、隔离型直流变换模组2、储能模组3;
所述模块化多电平变换器1包括三相六个桥臂、正高压直流母线P和负高压直流母线N,输入端接三相高压交流电,输出端分别接正高压直流母线P和负高压直流母线N;
所述每相桥臂包含上、下两个桥臂,每相桥臂由n个子模块SMik及1个桥臂电抗器Lij串联而成。其中,n为大于1的自然数,i=P,N,j=A,B,C,k=1,2,···n;
所述每相桥臂子模块均有两个端口,分别为交流输入端和直流输出端,n个子模块通过其交流输入端互相串联连接,直流输出端包括两个端子,分别为上输出端子jik1,下输出端子jik2;
所述隔离型直流变换模组2包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik,所述储能模组3包括2n个储能单元ESUik;
所述每相桥臂相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连,所述隔离型直流变换单元DC/DCik的输出端与储能单元ESUik的输入端相连。
优选地,所述模块化多电平变换器(1)的子模块采用半桥子模块,所述半桥子模块采用两种不同的接入方式,所述半桥子模块的内部包括2个功率开关管和1个电容,所述2个功率开关管串联后与所述电容并联。
优选地,所述模块化多电平变换器(1)中每相上桥臂和下桥臂连接在一起,连接点为三相高压交流电输入端之一,所述每相上桥臂的两个端点中,一个端点连接下桥臂和交流电输入端,另一个端点与其它上桥臂的端点共同连接至正高压直流母线P;所述每相下桥臂的两个端点中,一个端点连接上桥臂和交流电输入端,另一个端点与其它下桥臂的端点共同连接至负高压直流母线N。
优选地,所述模块化多电平变换器(1)的交流电输入端接三相高压交流电,端子电压为USj,j=A,B,C;
所述系统输入交流电相数、桥臂电压电平数目以及每相桥臂子模块的结构可根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级进行调整。
优选地,所述隔离型直流变换模组2包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik,所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部包含3个输入端口、1个输出端口;
所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部包含4个脉冲变换单元和1个三输入一输出的高频变压器;所述4个脉冲变换单元分为3个前级脉冲变换单元和1个后级脉冲变换单元;所述前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路、半桥逆变电路、带LLC谐振的全桥逆变电路或带其它谐振的全桥逆变电路,所述后级脉冲变换单元采用全桥整流电路、全桥整流电路后加Buck-Boost电路;
所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部3个输入端口分别与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出端口相连;所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部1个输出端口与所述储能模组3对应编号的储能单元ESUik输入端口相连。
优选地,所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路,后级脉冲变换单元采用全桥整流电路;所述前级脉冲变换单元的输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连,输出侧与三输入一输出的高频变压器输入侧相连;所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。
优选地,所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路,后级脉冲变换单元采用全桥整流电路后加Buck-Boost电路;所述前级脉冲变换单元输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连,输出侧与三输入一输出的高频变压器相连;所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。
优选的,所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用半桥逆变电路,后级脉冲变换单元采用全桥整流电路;所述前级脉冲变换单元输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连,输出侧与三输入一输出的高频变压器相连;所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。
优选的,所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用带LLC谐振的全桥逆变电路,后级脉冲变换单元采用全桥整流电路;所述前级脉冲变换单元输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连,输出侧与三输入一输出的高频变压器相连;所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。
所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部脉冲单元可根据系统功率等级、工作频率调整电路拓扑。
优选的,所述储能模组3由多个蓄电池储能单元、超级电容储能单元或其它类型的储能单元串并联连接构成。
本发明由于采取以上技术方案,具有以下优点:本发明所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,采用相间集中互联与整体对称分布的能量存储方式,结合了集中式储能系统和分布式储能系统两者的优点,克服了传统集中储能系统可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂不易管理的缺陷,大大减少了储能单元数量和系统控制复杂度,为电力系统提供高质量、操作安全、控制简单的分布式储能系统。
附图说明
本发明有如下附图:
图1为本发明的相间分布式储能系统整体结构示意图;
图2为本发明的模块化多电平变换器的多种子模块拓扑示意图;
图3为本发明的第一种隔离型直流变换单元的内部结构示意图;
图4为本发明的第二种隔离型直流变换单元的内部结构示意图;
图5为本发明的第三种隔离型直流变换单元的内部结构示意图;
图6为本发明的第四种隔离型直流变换单元的内部结构示意图;
图7为本发明的第一种储能模组的内部结构示意图;
图8为本发明的第二种储能模组的内部结构示意图;
1000—第一半桥电路,1001—第一功率开关管,
1100—第一电容,2000—第一全桥电路,
2100—三输入一输出高频变压器,2200—第二全桥电路,
2201—第二功率开关管,2300—第二电容,
2400—第二半桥电路,2500—第一电感,
2600—第三电容,2700—第三半桥电路,
2800—带LLC谐振的第三全桥,2801—第一谐振电容,
2802—第一谐振电感,2803—高频变压器励磁电感,
3201—蓄电池储能单元单体,3202—超级电容储能单元单体。
1—模块化多电平变换器 2—隔离型直流变换模组
3—储能模组
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,本发明提供一种基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,它包括模块化多电平变换器1、隔离型直流变换模组2、储能模组3;
所述模块化多电平变换器1包括三相六个桥臂、正高压直流母线P和负高压直流母线N,输入端接三相高压交流电,输出端分别接正高压直流母线P和负高压直流母线N;
所述每相桥臂包含上、下两个桥臂,每相桥臂由n个子模块SMik及1个桥臂电抗器Lij串联而成。其中,n为大于1的自然数,i=P,N,j=A,B,C,k=1,2,···n;
所述每相桥臂子模块均有两个端口,分别为交流输入端和直流输出端,n个子模块通过其交流输入端互相串联连接,直流输出端包括两个端子,分别为上输出端子jik1,下输出端子jik2;
所述隔离型直流变换模组2包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik,所述储能模组3包括2n个储能单元ESUik;
所述每相桥臂中相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连,所述隔离型直流变换单元DC/DCik的输出端与储能单元ESUik的输入端相连。
其中,系统输入交流电相数、桥臂电压电平数目以及每相桥臂子模块的结构可根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级进行调整。
上述实施例中,如图2所示,所述模块化多电平变换器1中子模块含有多种结构,工程中应用较为成熟的为半桥子模块(half-bridge sub-module,HBSM),如图2(a)和图2(b)所示,半桥子模块HBSM1和HBSM2采用两种不同的接入方式,HBSM1和HBSM2两种半桥子模块均由第一半桥电路1000和第一电容1100并联构成;
所述第一半桥电路1000由两个第一功率开关管1001串联构成,HBSM1中下第一功率开关管两端连接子模块上交流输入端子jik3和子模块下交流输入端子jik4,第一电容1100两端连接子模块上直流输出端子jik1和子模块下直流输出端子jik2;
HBSM2中上第一功率开关管两端连接上子模块上交流输入端子jik3和子模块下交流输入端子jik4,第一电容1100两端连接子模块上直流输出端子jik1和子模块下直流输出端子jik2。所述第一功率开关管1001为一含有反并联续流二极管的绝缘栅双极型晶体管(功率开关管不限于此类开关管,门极关断晶闸管,功率场效应晶体管,集成门极换向晶闸管等可根据系统不同工况替代使用)。
每相桥臂中n个子模块通过其交流输入端互相串联连接,即子模块SMik的下交流输入端子jik4连接子模块SMi(k+1)的上交流输入端子jik3;每相桥臂相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连。
上述实施例中,如图3所示,所述每个隔离型直流变换单元DC/DCik外部包含3个输入端口、1个输出端口。所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部含有多种结构,本实施例中为第一种隔离型直流变换单元,其由3个第一全桥电路2000、1个三输入一输出高频变压器2100、1个第二全桥电路2200以及第二电容2300组成。所述第一全桥电路2000包括4个第一功率开关管1001,所述三输入一输出高频变压器2100包括第一输入绕组2101、第二输入绕组2102、第三输入绕组2103、输出绕组2104以及磁芯2105,所述第二全桥电路2200包括4个第二功率开关管2201,所述第二功率开关管2201为一含有反并联续流二极管的绝缘栅双极型晶体管,其与第一功率开关管1001区别为器件耐压耐流参数不同。
3个第一全桥电路2000中直流输入端口Aik1-Aik2与所述模块化多电平变换器1中A相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连,直流输入端口Bik1-Bik2与所述模块化多电平变换器1中B相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连,直流输入端口Cik1-Cik2与所述模块化多电平变换器1中C相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连;
3个第一全桥电路2000交流输出端口分别与三输入一输出高频变压器2100的第一输入绕组2101、第二输入绕组2102、第三输入绕组2103相连。三输入一输出高频变压器2100的输出绕组2104与第二全桥电路2200交流输入侧相连,第二全桥电路2200直流输出侧与第二电容2300相连,第二电容2300通过输出端口2ik1-2ik2与对应编号的储能单元ESUik的输入端口3ik1-3ik2相连。
第一全桥电路2000完成将直流逆变成为交流的功能,三输入一输出高频变压器2100完成电气隔离和电压变换的功能,第二全桥电路2200完成将交流整流成直流的功能,第二电容2300完成直流电压支撑和滤波作用。
隔离型直流变换单元DC/DCik含有多种结构,本实施例中为第二种隔离型直流变换单元,如图4所示,其由3个第一全桥电路2000、1个三输入一输出高频变压器2100、1个第二全桥电路2200、1个第二电容2300、1个第二半桥电路2400以及1个第一电感2500组成,即在第一种隔离型直流变换单元基础上,增加1个第二半桥电路2400及1个第一电感2500。第二电容2300通过直流输出端口与第二半桥电路2400输入端口相连,第二半桥电路2400输出端口与第一电感2500串联,之后通过输出端口2ik1-2ik2与对应编号的储能单元ESUik的输入端口3ik1-3ik2相连。第二半桥电路2400与第一电感2500串联构成Buck-Boost升降压电路,第一电感2500完成电感滤波作用。
隔离型直流变换单元DC/DCik含有多种结构,本实施例中为第三种隔离型直流变换单元,如图5所示,其由6个第三电容2600、3个第三半桥电路2700、1个三输入一输出高频变压器2100、1个第二全桥电路2200以及1个第二电容2300组成,即在第一种隔离型直流变换单元基础上,将3个第一全桥电路2000替换成为3对第三电容2600分别与3个第三半桥2700并联型结构。
所述两个第三电容2600串联后与第三半桥电路2700并联,直流输入端口Aik1-Aik2与所述模块化多电平变换器1中A相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连,直流输入端口Bik1-Bik2与所述模块化多电平变换器1中B相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连,直流输入端口Cik1-Cik2与所述模块化多电平变换器1中C相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连;
3个第三半桥电路2700交流输出端口分别与三输入一输出高频变压器2100的第一输入绕组2101、第二输入绕组2102、第三输入绕组2103相连。三输入一输出高频变压器2100的输出绕组2104与第二全桥电路2200交流输入侧相连,第二全桥电路2200直流输出侧与第二电容2300相连,第二电容2300通过输出端口2ik1-2ik2与对应编号的储能单元ESUik的输入端口3ik1-3ik2相连。2个第三电容2600串联后与第三半桥电路2700并联结构共同完成自动校正变压器偏磁,直流逆变成为交流的功能。
隔离型直流变换单元DC/DCik含有多种结构,本实施例中为第四种隔离型直流变换单元,如图6所示,其由3个带LLC谐振的第三全桥2800、1个三输入一输出高频变压器2100、1个第二全桥电路2200、1个第二电容2300组成,即在第一种隔离型直流变换单元基础上,将3个第一全桥电路2000替换成为3个带LLC谐振的第三全桥2800结构。
所述带LLC谐振的第三全桥2800由4个第一功率开关管1001,1个第一谐振电容2801,1个第一谐振电感2802和1个高频变压器励磁电感2803组成;所述带LLC谐振的第三全桥2800直流输入端口Aik1-Aik2与所述模块化多电平变换器1中A相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连,直流输入端口Bik1-Bik2与所述模块化多电平变换器1中B相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连,直流输入端口Cik1-Cik2与所述模块化多电平变换器1中C相对应编号的子模块SMik直流输出端口相连;
3个带LLC谐振的第三全桥2800交流输出端口分别与三输入一输出高频变压器2100的第一输入绕组2101、第二输入绕组2102、第三输入绕组2103相连。三输入一输出高频变压器2100的输出绕组2104与第二全桥电路2200交流输入侧相连,第二全桥电路2200直流输出侧与第二电容2300相连,第二电容2300通过输出端口2ik1-2ik2与对应编号的储能单元ESUik的输入端口3ik1-3ik2相连。
所述谐振电容2801,第一谐振电感2802和高频变压器励磁电感2803组成LLC结构,使得带LLC谐振的第三全桥2800完成谐振软开关功能,以减小开关损耗,提高系统效率。
上述实施例中,如图7所示,所述储能模组3,它由2n个储能单元ESUik构成,储能单元由若干个蓄电池储能单元单体3201串并联,可通过上述各实施例中合适的控制,对储能模组3完成充放电功能。蓄电池储能单元的数量、体积、大小、容量可根据整体系统容量做出相应变化。储能单元的种类不限于蓄电池储能单元,其它合适储能单元也可接入。
上述实施例中,如图8所示,所述储能模组3,它由2n个储能单元ESUik构成,储能单元由若干个超级电容储能单元单体3202串并联构成,可通过上述各实施例中合适的控制,对储能模组3完成充放电功能。超级电容储能单元的数量、体积、大小、容量可根据整体系统容量做出相应变化。储能单元的种类不限于超级电容储能单元,其它合适储能单元也可接入。
本说明书上述各实施例仅是对本发明所作的例证,并非限制本发明的专利范围,本发明部件种类、结构、尺寸、位置、容量都是可以有所变化的,在本发明技术方案的基础上,凡根据本发明说明书及附图对个别部件进行的改进补充和等同变换修饰或直接间接运用在其它相关领域,皆应属本发明的涵盖范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于,包括:模块化多电平变换器(1)、隔离型直流变换模组(2)、储能模组(3);
所述模块化多电平变换器(1)包括三相六个桥臂、正高压直流母线P和负高压直流母线N,输入端接三相高压交流电,输出端分别接正高压直流母线P和负高压直流母线N;
所述每相桥臂包含上、下两个桥臂,每相桥臂由n个子模块SMik及1个桥臂电抗器Lij串联而成。其中,n为大于1的自然数,i=P,N,j=A,B,C,k=1,2,···n;
所述每相桥臂子模块均有两个端口,分别为交流输入端和直流输出端,n个子模块通过交流输入端互相串联连接,直流输出端包括两个端子,分别为上输出端子jik1,下输出端子jik2;
所述隔离型直流变换模组(2)包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik,所述储能模组(3)包括2n个储能单元ESUik;
所述每相桥臂相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连,所述隔离型直流变换单元DC/DCik的输出端与储能单元ESUik的输入端相连。
2.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于:所述模块化多电平变换器(1)的子模块采用半桥子模块,所述半桥子模块采用两种不同的接入方式,所述半桥子模块的内部包括两个功率开关管和1个电容,所述两个功率开关管串联后与所述电容并联。
3.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于:所述模块化多电平变换器(1)中每相上桥臂和下桥臂连接在一起,连接点为三相高压交流电输入端之一,所述每相上桥臂的两个端点中,一个端点连接下桥臂和交流电输入端,另一个端点与其它上桥臂的端点共同连接至正高压直流母线P;所述每相下桥臂的两个端点中,一个端点连接上桥臂和交流电输入端,另一个端点与其它下桥臂的端点共同连接至负高压直流母线N。
4.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于:所述模块化多电平变换器(1)的交流电输入端接三相高压交流电,端子电压为USj,j=A,B,C;
所述基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统输入交流电相数、桥臂电压电平数目以及每相桥臂子模块的结构可根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级进行调整。
5.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于:所述隔离型直流变换模组(2)包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik,所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部包含3个输入端口、1个输出端口;
所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部包含4个脉冲变换单元和1个三输入一输出的高频变压器;所述4个脉冲变换单元分为3个前级脉冲变换单元和1个后级脉冲变换单元;所述前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路、半桥逆变电路、带LLC谐振的全桥逆变电路或带其它谐振的全桥逆变电路,所述后级脉冲变换单元采用全桥整流电路、全桥整流电路后加Buck-Boost电路;
所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部3个输入端口分别与所述模块化多电平变换器(1)中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出端口相连;所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部1个输出端口与所述储能模组(3)对应编号的储能单元ESUik输入端口相连。
6.如权利要求5所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于:所述典型的隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路,后级脉冲变换单元采用全桥整流电路;所述前级脉冲变换单元的输入侧与所述模块化多电平变换器(1)中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连,输出侧与三输入一输出的高频变压器输入侧相连;所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。
所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部脉冲单元可根据系统功率等级、工作频率调整电路拓扑。
7.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统,其特征在于:所述储能模组(3)由多个蓄电池储能单元、超级电容储能单元或其它类型的储能单元串并联连接构成。
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