CN110048593A - 一种混合型mmc启动充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型MMC启动充电方法，解决了换流器过调制的技术问题，步骤1：对全部半桥子模块与全桥子模块预充电；步骤2：当达到预充电电压时，进入步骤3；步骤3：进入受控充电阶段1：计算上桥臂投入子模块参考数nrefu：若0≤nrefu≤N1，进入步骤4；若N1＜nrefu≤N1+N2，进入步骤5；若‑N2≤nrefu<0，进入步骤6；步骤4：上桥臂投入nrefu个半桥子模块，下桥臂投入nrefl个半桥子模块；步骤5；上桥臂投入N1个半桥子模块，并投入‑nrefl个全桥子模块输出正电平，下桥臂投入‑nrefl个全桥子模块输出负电平；步骤6：下桥臂投入N1个半桥子模块，并投入‑nrefl个全桥子模块输出正电平，上桥臂投入‑nrefl个全桥子模块输出负电平；步骤7：是否升至额定电压UC,m；若是，进入步骤7；若否，回到步骤3；步骤8：进入受控充电阶段2。

Description

一种混合型MMC启动充电方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种混合型MMC启动充电方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的迅速发展，以绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)为代表的新型可关断电力电子器件和脉宽调制(Pulse WidthModulation，PWM)为理论基础的电压源型换流器开始应用于直流输电，在我国通常称作柔性直流输电。与常规高压直流输电技术相比，柔性直流输电具有有功和无功独立控制、无换相失败风险、潮流反转时电压极性不变，可向无源负荷供电等优势，在城市中心负荷供电、分布式新能源并网与消纳等领域前景广阔，尤其适用于构建多端直流输电系统和未来直流电网。
目前投入使用的工程实例如浙江舟山五端柔性直流输电工程，云南鲁西背靠背直流异步联网工程等，均采用半桥型子模块(HBSM)级联的MMC拓扑。但HBSM无法应对直流双极短路故障，难以适用于长距离架空线输电领域。基于全桥型子模块(FBSM)和箝位双子模块(CDSM)的MMC拓扑能够实现故障电流自清除，但缺点是电力电子开关器件较多、经济性较差。因此，不同类型子模块级联的混合型MMC成为促进柔性直流输电技术进一步发展的重要研究对象。HBSM和FBSM构成的混合型MMC兼具故障保护能力与低成本优势，运行经济性和灵活性较高；但不同类型的子模块拓扑结构各异、控制方式和运行原理也不尽相同，使得其控制策略也更加复杂。稳态运行条件下，混合型MMC与传统MMC运行方式类似，但换流站启动过程与常规半桥型MMC柔直系统存在有较大区别。
目前，混合型MMC已经存在一些研究，主要包括拓扑结构、电容参数设计、数学建模、故障保护策略。但对混合型MMC启动充电方面，仍未得出合适的充电策略，特别是由于混合型MMC的拓扑结构复杂性，导致混合型MMC启动存在受控充电电流冲击、桥臂过调制的问题，从而引起混合型MMC故障或损坏。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种混合型MMC启动充电方法，解决现有技术中混合型MMC在启动过程中桥臂投入模块数过调制导致交流电压过调制，可提升MMC子模块电容的预充电电压，在换流器解锁瞬间，提高受控充电时模块电容电压，避免了桥臂过调制现象，有效降低启动时由于子模块电容电压较低引起的冲击电流峰值，从而保证换流阀的安全启动。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种混合型MMC启动充电方法，所述混合型MMC包括与三相交流电一一对应的三个相单元，三个相单元并联；每个相单元均包含串联的上桥臂与下桥臂，并且上桥臂包含串联的N1个半桥子模块与N2个全桥子模块，下桥臂包含串联的N1个半桥子模块与N2个全桥子模块，每个上桥臂与下桥臂的N1个半桥子模块中的冗余半桥子模块数均为M1，每个上桥臂与下桥臂的N2个全桥子模块中的冗余全桥子模块数为均M2；包括以下步骤：
步骤1：启动混合型MMC交流侧，换流阀闭锁；交流断路器合闸，对混合型MMC中的全部半桥子模块与全桥子模块进行预充电；
步骤2：当混合型MMC的半桥子模块的电容电压达到预充电电压UC1,0与全桥子模块的电容电压达到预充电电压UC2,0时，进入步骤3；
步骤3：换流阀解锁，进入受控充电阶段1：采用排序均压算法根据子模块充电投入子模块参考数对每个相单元进行充电控制，维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1；上桥臂投入子模块参考数nrefu的计算公式为：
其中，round[]表示最近取整函数，N1表示每个相单元中上桥臂的半桥子模块个数，Umcosωt表示随时间变化的交流侧电压函数，Um表示交流侧相电压峰值，UC,ave表示单相桥臂投入充电的子模块的当前平均电容电压，由该桥臂内所有半桥子模块和全桥子模块电容电压之和除以半桥子模块和全桥子模块总数(N1+M1+N2+M2)得到；
计算上桥臂投入子模块参考数nrefu：
若0≤nrefu≤N1，则进入步骤4；
若N1＜nrefu≤N1+N2，则进入步骤5；
若-N2≤nrefu<0，则进入步骤6；
步骤4：计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1；此时nrefl将落入0≤nrefl≤N1的取值范围内；上桥臂投入nrefu个半桥子模块，下桥臂投入nrefl个半桥子模块，旁路上桥臂与下桥臂的全桥子模块，从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤5；计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1，此时nrefl将落入-N2≤nrefl＜0的取值范围内；上桥臂投入N1个半桥子模块进行充电，并且投入-nrefl个全桥子模块输出正电平，旁路其余全桥子模块；同时，下桥臂投入-nrefl个全桥子模块输出负电平，旁路其余子模块；从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤6：计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1，此时nrefl将落入N1＜nrefl≤N1+N2范围内，下桥臂投入N1个半桥子模块进行充电，并且投入-nrefu个全桥子模块输出正电平，旁路其余全桥子模块；同时，上桥臂投入-nrefu个全桥子模块输出负电平，旁路其余子模块；从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤7：判断每个相单元的投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave是否升至额定电容电压UC,m；若是，则进入步骤8；若否，则回到步骤3；
步骤8：进入受控充电阶段2：MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)，直到直流母线电压Udc达到额定电压Udc,ref，从而完成混合型MMC启动充电。
进一步的，半桥子模块的电容预充电电压UC1,0与全桥子模块的电容预充电电压UC2,0的分别按如下公式计算：
其中，UL,m表示交流侧线电压峰值。
进一步的，相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave随时间变化：Udc(t)为直流母线电压的实时测量值，x表示相单元投入充电的子模块数量。
进一步的，受控充电阶段1将交流电压输出范围扩展至：
[-(N1/2+N2)UC,ave,+(N1/2+N2)UC,ave]。
进一步的，受控充电阶段2根据桥臂电流方向与子模块投入系数对子模块进行充放电控制；受控充电阶段2中上桥臂或下桥臂的子模块投入系数n′ref按如下公式计算：
其中，round[]表示最近取整函数，N1表示每个相单元中上桥臂的半桥子模块个数，T1表示受控充电阶段2的开始时间，T2表示受控充电阶段2的预设结束时间，t表示当前时刻，N2表示每个相单元中上桥臂的全桥子模块个数，M1表示N1个半桥子模块个数中的冗余半桥子模块个数，M2表示N2个全桥子模块个数中的冗余全桥子模块个数，Um cosωt表示随时间变化的交流侧电压函数，UC,ave表一个相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压；
根据上桥臂或下桥臂的子模块投入系数nref，对每个相单元进行以下控制：根据当前相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave迭代计算每个相单元的子模块投入系数n′ref；并且上桥臂投入总数为n′ref的全桥子模块和半桥子模块进行充电或放电，同时，下桥臂投入总数为n′ref的全桥子模块和半桥子模块进行充电或放电，直到使MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明针对交流侧启动方式下，首先对混合型MMC进行预充电，在预充电结束后能在进入受控充电阶段前使子模块电容电压显著提高，从而有效改善换流阀解锁时刻的过调制与冲击电流现象，有利于换流器及交流电网的安全、稳定运行。
2、将受控充电分为两个阶段。在预充电阶段结束后，进入受控充电阶段1，利用全桥型子模块输出负特性，维持混合型MMC直流侧串联子模块数N1个不变的同时，提升交流测电压输出范围，避免桥臂过调制现象。桥臂内所有子模块电容电压升至额定电压后，进入受控充电阶段2，MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)。换流站直流母线电压随串联子模块数增加而缓升，直至达到额定值，保证混合型MMC换流站在电流安全阈值内正常启动。
附图说明
图1是混合型MMC的拓扑结构示意图；
图2是本具体实施方式中混合型MCC启动充电方法的流程图；
图3是混合型MMC交流侧预充电等效电路示意图；
图4是采用现有中的启动充电方法的交流侧输出电压范围示意图；
图5是采用本具体实施方式中的混合型MCC启动充电方法的交流侧输出电压范围示意图。
具体实施方式
一种混合型MMC启动充电方法，混合型MMC的拓扑结构参考图1所示，所述混合型MMC包括与三相交流电一一对应的三个相单元，三个相单元并联；每个相单元均包含串联的上桥臂与下桥臂，并且上桥臂包含串联的N1个半桥子模块与N2个全桥子模块，下桥臂包含串联的N1个半桥子模块与N2个全桥子模块，每个上桥臂与下桥臂的N1个半桥子模块中的冗余半桥子模块数均为M1，每个上桥臂与下桥臂的N2个全桥子模块中的冗余全桥子模块数为均M2；参考图2所示，包括以下步骤：
步骤1：启动混合型MMC交流侧，换流阀闭锁；交流断路器合闸，对混合型MMC中的全部半桥子模块与全桥子模块进行预充电；
步骤2：当混合型MMC的半桥子模块的电容电压达到预充电电压UC1,0与全桥子模块的电容电压达到预充电电压UC2,0时，进入步骤3；
步骤3：换流阀解锁，进入受控充电阶段1：采用排序均压算法根据子模块充电投入子模块参考数对每个相单元进行充电控制，维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1；上桥臂投入子模块参考数nrefu的计算公式为：
其中，round[]表示最近取整函数，N1表示每个相单元中上桥臂的半桥子模块个数，Umcosωt表示随时间变化的交流侧电压函数，Um表示交流侧相电压峰值，UC,ave表示单相桥臂投入充电的子模块的当前平均电容电压，由直流母线电压和单相桥臂投入的模块个数决定；
计算上桥臂投入子模块参考数nrefu：
若0≤nrefu≤N1，则进入步骤4；
若N1＜nrefu≤N1+N2，则进入步骤5；
若-N2≤nrefu<0，则进入步骤6；
步骤4：计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1；此时nrefl将落入0≤nrefl≤N1的取值范围内；上桥臂投入nrefu个半桥子模块，下桥臂投入nrefl个半桥子模块，旁路上桥臂与下桥臂的全桥子模块，从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤5；计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1，此时nrefl将落入-N2≤nrefl＜0的取值范围内；上桥臂投入N1个半桥子模块进行充电，并且投入-nrefl个全桥子模块输出正电平，旁路其余全桥子模块；同时，下桥臂投入-nrefl个全桥子模块输出负电平，旁路其余子模块；从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤6：计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1，此时nrefl将落入N1＜nrefl≤N1+N2范围内，下桥臂投入N1个半桥子模块进行充电，并且投入-nrefu个全桥子模块输出正电平，旁路其余全桥子模块；同时，上桥臂投入-nrefu个全桥子模块输出负电平，旁路其余子模块；从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤7：判断每个相单元的投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave是否升至额定电容电压UC,m；若是，则进入步骤8；若否，则回到步骤3；
步骤8：进入受控充电阶段2：MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)，直到直流母线电压Udc达到额定电压Udc,ref，从而完成混合型MMC启动充电。
预充电阶段参考图3所示，在预充电阶段，充电电阻旁路刀闸断开(可降低充电电流，降低电流冲击)，三相交流断路器合闸，通过交流电源相各子模块充电并检测子模块的电压值。当检测到全桥子模块的电容预充电电压达到时，且半桥子模块的电容预充电电压达到时，闭合充电电阻旁路刀闸，旁路充电电阻，进入分段不控充电阶段。
本具体实施方式中，相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave随时间变化：Udc(t)为直流母线电压的实时测量值，x表示相单元投入充电的子模块数量。受控充电阶段1与受控充电阶段2的UC,ave值均根据直流母线电压的实时测量值进行计算。
本具体实施方式中，参考图4所示，受控充电阶段1将交流电压输出范围扩展至：[-(N1/2+N2)UC,ave,+(N1/2+N2)UC,ave]，并且在受控充电阶段1结束时UC,ave＝UC,m。
交流电压输出范围的推导过程如下：
每相交流电压均相等，第j相交流电压ej的表达式为：ej＝1/2(ujl-uju)；
ujl为该相下桥臂电压，uju为该相上桥臂电压。
最大交流输出电压；
上桥臂投入0个半桥模块，N2个全桥子模块输出负电平。
下桥臂投入N1半桥模块，N2个全桥子模块输出正电平。
所以最大交流输出电压为：1/2(N1+N2-(0-N2))*UC,ave＝(N1/2+N2)*UC,ave。
最小交流输出电压；
上桥臂投入N1个半桥模块，N2个全桥子模块输出正电平。
下桥臂投入0半桥模块，N2个全桥子模块输出负电平。
所以最小交流输出电压为：1/2((0-N2)-(N1+N2))*UC,ave＝-(N1/2+N2)*UC,ave。
现有技术中在对混合型MMC的启动充电过程中，全桥子模块不输出负电平，使全桥模块工作在半桥状态，全桥子模块与半桥子模块均根据子模块投入系数进行充电，对应的交流输出电压范围，参考图5所示，从图中可以看出，直流母线电压Udc超过了交流侧电压峰值。然而，采用本发明的控制方法，如图4所示，直流母线电压Udc远小于交流侧电压峰值，提升了交流电压输出范围，以避免过调制。
本具体实施方式中，直流母线电压在受控充电阶段1结束时为：Udc＝N1UC,m；其中，N1表示受控充电阶段1中每个相单元的半桥子模块的充电投入个数；UC,m表示子模块的额定电容电压，半桥子模块与全桥子模块的额定电容电压相等。
本具体实施方式中，受控充电阶段2根据桥臂电流方向与子模块投入系数对子模块进行充放电控制；受控充电阶段2中上桥臂或下桥臂的子模块投入系数n′ref按如下公式计算：
其中，round[]表示最近取整函数，N1表示每个相单元中上桥臂的半桥子模块个数，T1表示受控充电阶段2的开始时间，T2表示受控充电阶段2的预设结束时间，t表示当前时刻，N2表示每个相单元中上桥臂的全桥子模块个数，M1表示N1个半桥子模块个数中的冗余半桥子模块个数，M2表示N2个全桥子模块个数中的冗余全桥子模块个数，Um cosωt表示随时间变化的交流侧电压函数，UC,ave表一个相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压；
根据上桥臂或下桥臂的子模块投入系数n′ref，对每个相单元进行以下控制：根据当前相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave迭代计算每个相单元的子模块投入系数n′nrf；并且上桥臂投入总数为n′ref的全桥子模块和半桥子模块进行充电或放电，同时，下桥臂投入总数为n′ref的全桥子模块和半桥子模块进行充电或放电，直到使MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)。
受控充电阶段2稳态运行时，直流母线电压Udc达到额定电压Udc,ref，并且Udc,ref＝(N1-M1+N2-M2)UC,m，其中，UC,m表示子模块的额定电容电压。

Claims (7)

1.一种混合型MMC启动充电方法，所述混合型MMC包括与三相交流电一一对应的三个相单元，三个相单元并联；每个相单元均包含串联的上桥臂与下桥臂，并且上桥臂包含串联的N1个半桥子模块与N2个全桥子模块，下桥臂包含串联的N1个半桥子模块与N2个全桥子模块，每个上桥臂与下桥臂的N1个半桥子模块中的冗余半桥子模块数均为M1，每个上桥臂与下桥臂的N2个全桥子模块中的冗余全桥子模块数为均M2；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：启动混合型MMC交流侧，换流阀闭锁；交流断路器合闸，对混合型MMC中的全部半桥子模块与全桥子模块进行预充电；
步骤2：当混合型MMC的半桥子模块的电容电压达到预充电电压UC1,0与全桥子模块的电容电压达到预充电电压UC2,0时，进入步骤3；
步骤3：换流阀解锁，进入受控充电阶段1：采用排序均压算法根据子模块充电投入子模块参考数对每个相单元进行充电控制，维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1；上桥臂投入子模块参考数nrefu的计算公式为：
其中，round[]表示最近取整函数，N1表示每个相单元中上桥臂的半桥子模块个数，Umcosωt表示随时间变化的交流侧电压函数，Um表示交流侧相电压峰值，UC,ave表示单相桥臂投入充电的子模块的当前平均电容电压，由该桥臂内所有半桥子模块和全桥子模块电容电压之和除以半桥子模块和全桥子模块总数(N1+M1+N2+M2)得到；
计算上桥臂投入子模块参考数nrefu：
若0≤nrefu≤N1，则进入步骤4；
若N1＜nrefu≤N1+N2，则进入步骤5；
若-N2≤nrefu<0，则进入步骤6；
步骤4：计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1；此时nrefl将落入0≤nrefl≤N1的取值范围内；上桥臂投入nrefu个半桥子模块，下桥臂投入nrefl个半桥子模块，旁路上桥臂与下桥臂的全桥子模块，从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤5；计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1，此时nrefl将落入-N2≤nrefl＜0的取值范围内；上桥臂投入N1个半桥子模块进行充电，并且投入-nrefl个全桥子模块输出正电平，旁路其余全桥子模块；同时，下桥臂投入-nrefl个全桥子模块输出负电平，旁路其余子模块；从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤6：计算下桥臂投入子模块参考数nrefl：nrefu+nrefl＝N1，此时nrefl将落入N1＜nrefl≤N1+N2范围内，下桥臂投入N1个半桥子模块进行充电，并且投入-nrefu个全桥子模块输出正电平，旁路其余全桥子模块；同时，上桥臂投入-nrefu个全桥子模块输出负电平，旁路其余子模块；从而维持每个相单元的半桥子模块的充电投入个数为N1，使得直流母线电压Udc在受控充电阶段1由半桥子模块数N1与半桥子模块电容电压决定；
步骤7：判断每个相单元的投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave是否升至额定电容电压UC,m；若是，则进入步骤8；若否，则回到步骤3；
步骤8：进入受控充电阶段2：MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)，直到直流母线电压Udc达到额定电压Udc,ref，从而完成混合型MMC启动充电。
2.根据权利要求1所述的混合型MMC启动充电方法，其特征在于：半桥子模块的电容预充电电压UC1,0与全桥子模块的电容预充电电压UC2,0分别按如下公式计算：
其中，UL,m表示交流侧线电压峰值。
3.根据权利要求1所述的混合型MMC启动充电方法，其特征在于：直流母线电压在受控充电阶段1结束时为：Udc＝N1UC,m；其中，N1表示受控充电阶段1中每个相单元的半桥子模块的充电投入个数；UC,m表示子模块的额定电容电压，半桥子模块与全桥子模块的额定电容电压相等。
4.根据权利要求1所述的混合型MMC启动充电方法，其特征在于：相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave随时间变化：Udc(t)为直流母线电压的实时测量值，x表示相单元投入充电的子模块数量。
5.根据权利要求1所述的混合型MMC启动充电方法，其特征在于：受控充电阶段1将交流电压输出范围扩展至：[-(N1/2+N2)UC,ave,+(N1/2+N2)UC,ave]。
6.根据权利要求1所述的混合型MMC启动充电方法，其特征在于：受控充电阶段2根据桥臂电流方向与投入子模块参考数对子模块进行充放电控制；受控充电阶段2中上桥臂或下桥臂投入子模块参考数n′ref按如下公式计算：
其中，round[]表示最近取整函数，N1表示每个相单元中上桥臂的半桥子模块个数，T1表示受控充电阶段2的开始时间，T2表示受控充电阶段2的预设结束时间，t表示当前时刻，N2表示每个相单元中上桥臂的全桥子模块个数，M1表示N1个半桥子模块个数中的冗余半桥子模块个数，M2表示N2个全桥子模块个数中的冗余全桥子模块个数，Umcosωt表示随时间变化的交流侧电压函数，UC,ave表一个相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压；
根据上桥臂或下桥臂的子模块投入系数n′ref，对每个相单元进行以下控制：根据当前相单元投入充电的子模块的当前平均电容电压UC,ave迭代计算每个相单元的子模块投入系数n′ref；并且上桥臂投入总数为n′ref的全桥子模块和半桥子模块进行充电或放电，同时，下桥臂投入总数为n′ref的全桥子模块和半桥子模块进行充电或放电，直到使MMC直流侧串联子模块数逐渐由N1个提升至(N1-M1)+(N2-M2)。
7.根据权利要求1所述的混合型MMC启动充电方法，其特征在于：受控充电阶段2稳态运行时，直流母线电压Udc达到额定电压Udc,ref，并且Udc,ref＝(N1-M1+N2-M2)UC,m，其中，UC,m表示子模块的额定电容电压。
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