CN112523948A - 一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，该方法基于叶根载荷传感器测量的叶根面外弯矩，叶根面外弯矩经过Clark变换得到静止轮毂坐标系下的轮毂合弯矩，轮毂合弯矩包含轮毂俯仰弯矩和轮毂偏航弯矩，当轮毂合弯矩大于阈值时，独立变桨控制策略激活，降低风电机组的轮毂极限合弯矩，即轮毂合弯矩的最大值，以保障机组的安全运行，同时降低风电机组的变桨系统工作负担。

Description

一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法

技术领域

本发明涉及风电机组轮毂极限载荷降载控制的技术领域，尤其是指一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法。

背景技术

随着国内陆上风电的快速发展，优质风资源逐渐减少，陆上风电开始发掘低风速、山地地区的风资源。为降低度电成本，低风速地区需配备更大的机组容量、更大直径的风轮(包含轮毂和叶片)，随着机组容量增加、叶片加长，机组承受的极限载荷也随之增加，极限载荷包括轮毂载荷、偏航载荷、塔架载荷。此外，山地地区的风资源较为恶劣，主要表现为大湍流、大风切变，再加上机组塔筒产生的塔影效应，山地地区的风电机组将面临更加极端的风轮不平衡载荷，包括轮毂极限俯仰弯矩(即轮毂俯仰弯矩的最大值)、轮毂极限偏航弯矩(即轮毂偏航弯矩的最大值)。目前已有成熟的独立变桨控制技术用于降低风轮不平衡载荷引起的部件疲劳损伤，但持续的独立变桨控制会加大变桨轴承的疲劳损伤，对变桨轴承的疲劳强度、变桨变频器的温升控制等提出更严苛的要求。此外，有文献在风轮不平衡载荷大于阈值时启动停机策略，停机过程中启用独立变桨降低风轮极限不平衡载荷，但停机会造成发电量损失。因此，如何在极端风况下降低风轮极限不平衡载荷同时不增加变桨系统的负担成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，不仅能有效降低风电机组的轮毂极限载荷(包括轮毂极限俯仰弯矩、轮毂极限偏航弯矩)，同时最大限度地减少变桨系统的成本，避免极限风况停机造成的发电量损失。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，该方法基于叶根载荷传感器测量的叶根面外弯矩，叶根面外弯矩经过Clark变换得到静止轮毂坐标系下的轮毂合弯矩，轮毂合弯矩包含轮毂俯仰弯矩和轮毂偏航弯矩，当轮毂合弯矩大于阈值时，独立变桨控制策略激活，降低风电机组的轮毂极限合弯矩，即轮毂合弯矩的最大值，以保障机组的安全运行，同时降低风电机组的变桨系统工作负担。

所述基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，包括以下步骤：

1)测量数据

在叶根坐标系中，设β₁为叶片1桨距角，β₂为叶片2桨距角，β₃为叶片3桨距角，所述桨距角为叶片零度标志线与风轮旋转平面的夹角；M_be,1为叶片1的叶根摆振弯矩，M_be,2为叶片2的叶根摆振弯矩，M_be,3为叶片3的叶根摆振弯矩，所述叶根摆振弯矩垂直于叶片零度标志线；M_bf,1为叶片1的叶根挥舞弯矩，M_bf，2为叶片2的叶根挥舞弯矩，M_bf,3为叶片3的叶根挥舞弯矩，所述叶根挥舞弯矩平行于叶片零度标志线；M_bo,1为叶片1的叶根面外弯矩，M_bo,2为叶片2的叶根面外弯矩，M_bo,3为叶片3的叶根面外弯矩，所述叶根面外弯矩平行于风轮旋转平面，随着风轮旋转；在三只叶片的根部安装载荷传感器，用于测量三只叶片的叶根摆振弯矩M_be,1、M_be,2、M_be,3和叶根挥舞弯矩M_bf,1、M_bf，2、M_bf,3；

在静止轮毂坐标系中，设M_ht为轮毂俯仰弯矩，与水平方向平行；M_hy为轮毂偏航弯矩，与竖直方向平行；θ_r为风轮方位角，即叶片1与竖直方向的夹角；ω_r为风轮转速；在风电机组的主轴安装编码器，测量风轮方位角θ_r；

2)计算三只叶片的叶根面外弯矩，计算公式如下：

M_bo,1＝M_bf,1cosβ₁-M_be,1sinβ₁

M_bo,2＝M_bf,2cosβ₂-M_be,2sinβ₂

M_bo,3＝M_bf,3cosβ₃-M_be,3sinβ₃

3)通过Clark变换计算轮毂合弯矩

将随风轮旋转的三只叶片的叶根面外弯矩M_bo,1、M_bo,2、M_bo,3投影合成为静止轮毂坐标系下的轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy，计算公式如下：

4)轮毂弯矩动态滤波

将轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy依次经过低通滤波器和至少一个nP陷波器后，得到滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt；其中，nP陷波器为风轮旋转频率的n倍，n＝3,6,9…；

低通滤波器的传递函数如下：

nP陷波器的传递函数如下：

其中，s为拉普拉斯变换后的复变量，ξ_p为低通滤波器的阻尼，ω_p为低通滤波器的截止频率；ξ_np，1为决定陷波强度的陷波器阻尼，ξ_np,2为决定陷波带宽的陷波器阻尼；ω_np为nP陷波器的中心频率，根据低通滤波后的发电机转速ω_gLp确定，计算公式如下：

其中，G为风电机组的齿轮箱增速比；

5)复数处理

滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt分别作为实部和虚部组成复数M_hty；复数M_hty的幅值A_hty及相角θ_hty的计算公式如下：

θ_hty＝arctan(M_hyFilt/M_htFilt)

6)独立变桨激活控制策略

当复数M_hty的幅值A_hty大于阈值A_htyThr时，风电机组主控系统的独立变桨PI控制器激活；当复数M_hty的幅值A_hty小于或等于阈值A_htyThr时，独立变桨PI控制器的比例控制器输出的桨距角为零，独立变桨PI控制器的积分控制器输出的桨距角被合理衰减至零；

复数M_hty的幅值A_hty减去阈值A_htyThr得到轮毂合弯矩偏差E_hty，轮毂合弯矩偏差E_hty与零取最大值得到E_htyLim；比例控制器输出的桨距角β_tyP由下式给出：

β_tyP＝K_tyPE_htyLim＝K_tyPmax(A_hty-A_htyThr,0)

其中，K_tyP为独立变桨的比例控制增益；

积分控制器的离散输出如下：

其中，β_tyI(k)为积分控制器第k步输出的桨距角，β_tyI(k-1)为积分控制器第k-1步输出的桨距角，K_tyI为独立变桨的积分控制增益，T_s为积分控制器的时间步长，T_dec为积分控制器的衰减时间常数；

积分控制器输出的β_tyI需经过独立变桨最大桨距角β_tyMax的限幅，得到限幅后的桨距角β_tyILim为：

β_tyILim＝min(β_tyI,β_tyMax)

独立变桨PI控制器输出的桨距角β_tyPI为：

β_tyPI＝β_tyP+β_tyILim

β_tyPI经过独立变桨最大桨距角β_tyMax限幅，得到限幅后的桨距角β_tyPILim为：

β_tyPILim＝min(β_tyPI,β_tyMax)

最后，静止轮毂坐标下的独立变桨桨距角设定值是以β_tyPILim为幅值，以θ_hty为相角的复数；轮毂俯仰弯矩M_ht对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimcosθ_hty，轮毂偏航弯矩M_hy对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimsinθ_hty；

7)Clark逆变换

独立变桨桨距角设定值经过Clark逆变换即可得到三只叶片的叠加桨距角β_IPC,1、β_IPC,2、β_IPC,3，公式如下：

8)叠加独立变桨桨距角，最终输出给变桨系统的桨距角设定值β_dem,1、β_dem,2、β_dem,3为：

其中，β_c为集中桨距角设定值，由风电机组主控系统的转速偏差-桨距角PID控制器给出；转速偏差-桨距角PID控制器的输入为转速偏差，即依次经过低通滤波器和至少一个nP陷波器后的发电机转速与发电机转速设定值之差；转速偏差-桨距角PID控制器的输出为集中桨距角设定值β_c；转速偏差-桨距角PID控制器的传递函数如下：

其中，K_cP为集中变桨的比例控制增益，K_cI为集中变桨的积分控制增益，K_cD为集中变桨的微分控制增益，T_D为一阶低通滤波器的时间常数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、当检测到轮毂极限合弯矩时，不采用停机策略，而是通过独立变桨降低静止轮毂极限合弯矩，保证机组运行安全，避免极限风况停机造成的发电量损失。

2、轮毂合弯矩为轮毂俯仰弯矩和轮毂偏航弯矩的矢量和，本发明方法可有效降低轮毂俯仰极限弯矩和轮毂偏航极限弯矩；仿真表明，极端风切变风况下，采用本发明方法，轮毂极限合弯矩降低15％-20％。

3、区别于降低叶根疲劳载荷的独立变桨控制，本发明的独立变桨策略并非一直保持开启，仅在轮毂合弯矩大于阈值时激活，减少了独立变桨动作的时间，最大限度地减少对变桨系统的影响。

附图说明

图1为本发明方法的控制原理图。

图2为叶根坐标系下的机组局部图(叶片1)。

图3为轮毂坐标系下的机组局部图。

图4为仿真验证所用的不同高度的风速时序曲线图，该风况为极端风切变风况。

图5为关闭和开启独立变桨的轮毂合弯矩时序曲线图。

图6为关闭和开启独立变桨的桨距角对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本实施例所提供的基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，基于叶根载荷传感器测量的叶根面外弯矩，叶根面外弯矩经过Clark变换得到静止轮毂坐标系下的轮毂合弯矩，轮毂合弯矩包含轮毂俯仰弯矩和轮毂偏航弯矩，当轮毂合弯矩大于阈值时，独立变桨控制策略激活，降低风电机组的轮毂极限合弯矩，即轮毂合弯矩的最大值，以保障机组的安全运行，同时降低风电机组的变桨系统工作负担。其包括以下步骤：

1)测量数据

在叶根坐标系中，设β₁为叶片1桨距角，β₂为叶片2桨距角，β₃为叶片3桨距角，所述桨距角为叶片零度标志线与风轮旋转平面的夹角；M_be,1为叶片1的叶根摆振弯矩，M_be,2为叶片2的叶根摆振弯矩，M_be,3为叶片3的叶根摆振弯矩，所述叶根摆振弯矩垂直于叶片零度标志线；M_bf,1为叶片1的叶根挥舞弯矩，M_bf，2为叶片2的叶根挥舞弯矩，M_bf,3为叶片3的叶根挥舞弯矩，所述叶根挥舞弯矩平行于叶片零度标志线；M_bo,1为叶片1的叶根面外弯矩，M_bo,2为叶片2的叶根面外弯矩，M_bo,3为叶片3的叶根面外弯矩，所述叶根面外弯矩平行于风轮旋转平面，随着风轮旋转；在三只叶片的根部安装载荷传感器，用于测量三只叶片的叶根摆振弯矩M_be,1、M_be,2、M_be,3和叶根挥舞弯矩M_bf,1、M_bf，2、M_bf,3；

在静止轮毂坐标系中，设M_ht为轮毂俯仰弯矩，与水平方向平行；M_hy为轮毂偏航弯矩，与竖直方向平行；θ_r为风轮方位角，即其中一只叶片与竖直方向的夹角；ω_r为风轮转速；在风电机组的主轴安装编码器，测量风轮方位角θ_r。

2)计算三只叶片的叶根面外弯矩，计算公式如下：

M_bo,1＝M_bf,1cosβ₁-M_be,1sinβ₁

M_bo,2＝M_bf,2cosβ₂-M_be,2sinβ₂

M_bo,3＝M_bf,3cosβ₃-M_be,3sinβ₃

3)通过Clark变换计算轮毂合弯矩

将随风轮旋转的三只叶片的叶根面外弯矩M_bo,1、M_bo,2、M_bo,3投影合成为静止轮毂坐标系下的轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy，计算公式如下：

4)轮毂弯矩动态滤波

将轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy依次经过低通滤波器、3P陷波器、6P陷波器后，得到滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt；其中，3P陷波器为风轮旋转频率的3倍，6P陷波器为风轮旋转频率的6倍；

低通滤波器的传递函数如下：

3P陷波器的传递函数如下：

6P陷波器的传递函数如下：

其中，s为拉普拉斯变换后的复变量，ξ_p为低通滤波器的阻尼，ω_p为低通滤波器的截止频率；ξ_3p，1、ξ_6p，1为决定陷波强度的陷波器阻尼，ξ_3p,2、ξ_6p,2为决定陷波带宽的陷波器阻尼；ω_3p、ω_6p分别是3P陷波器、6P陷波器的中心频率，根据低通滤波后的发电机转速ω_gLp确定，计算公式如下：

其中，G为风电机组的齿轮箱增速比；

5)复数处理

滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt分别作为实部和虚部组成复数M_hty；复数M_hty的幅值A_hty及相角θ_hty的计算公式如下：

θ_hty＝arctan(M_hyFilt/M_htFilt)

6)独立变桨激活控制策略

当复数M_hty的幅值A_hty大于阈值A_htyThr时，风电机组主控系统的独立变桨PI控制器激活；当复数M_hty的幅值A_hty小于或等于阈值A_htyThr时，独立变桨PI控制器的比例控制器输出的桨距角为零，独立变桨PI控制器的积分控制器输出的桨距角被合理衰减至零；

复数M_hty的幅值A_hty减去阈值A_htyThr得到轮毂合弯矩偏差E_hty，轮毂合弯矩偏差E_hty与零取最大值得到E_htyLim；比例控制器输出的桨距角β_tyP由下式给出：

β_tyP＝K_tyPE_htyLim＝K_tyPmax(A_hty-A_htyThr,0)

其中，K_tyP为独立变桨的比例控制增益；

积分控制器的离散输出如下：

其中，β_tyI(k)为积分控制器第k步输出的桨距角，β_tyI(k-1)为积分控制器第k-1步输出的桨距角，K_tyI为独立变桨的积分控制增益，T_s为积分控制器的时间步长，T_dec为积分控制器的衰减时间常数；

积分控制器输出的β_tyI需经过独立变桨最大桨距角β_tyMax的限幅，得到限幅后的桨距角β_tyILim为：

β_tyILim＝min(β_tyI,β_tyMax)

独立变桨PI控制器输出的桨距角β_tyPI为：

β_tyPI＝β_tyP+β_tyILim

β_tyPI经过独立变桨最大桨距角β_tyMax限幅，得到限幅后的桨距角β_tyPILim为：

β_tyPILim＝min(β_tyPI,β_tyMax)

最后，静止轮毂坐标下的独立变桨桨距角设定值是以β_tyPILim为幅值，以θ_hty为相角的复数；轮毂俯仰弯矩M_ht对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimcosθ_hty，轮毂偏航弯矩M_hy对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimsinθ_hty。

7)Clark逆变换

独立变桨桨距角设定值经过Clark逆变换即可得到三只叶片的叠加桨距角β_IPC,1、β_IPC,2、β_IPC,3，公式如下：

8)叠加独立变桨桨距角，最终输出给变桨系统的桨距角设定值β_dem,1、β_dem,2、β_dem,3为：

其中，β_c为集中桨距角设定值，由风电机组主控系统的转速偏差-桨距角PID控制器给出；转速偏差-桨距角PID控制器的输入为转速偏差，即依次经过低通滤波器、3P陷波器、6P陷波器后的发电机转速与发电机转速设定值之差；转速偏差-桨距角PID控制器的输出为集中桨距角设定值β_c；转速偏差-桨距角PID控制器的传递函数如下：

其中，K_cP为集中变桨的比例控制增益，K_cI为集中变桨的积分控制增益，K_cD为集中变桨的微分控制增益，T_D为一阶低通滤波器的时间常数。

图4为仿真验证所用的不同高度的风速时序曲线，该风况为极端风切变风况，图5为关闭和开启独立变桨的轮毂合弯矩时序曲线，开启独立变桨后，轮毂极限合弯矩降低25.3％。图6为关闭和开启独立变桨的桨距角对比，关闭独立变桨时三个桨距角均为集中桨距角，开启独立变桨后，三个桨距角分别如独立变桨桨距角1、独立变桨桨距角2、独立变桨桨距角3时序曲线所示。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，其特征在于：该方法基于叶根载荷传感器测量的叶根面外弯矩，叶根面外弯矩经过Clark变换得到静止轮毂坐标系下的轮毂合弯矩，轮毂合弯矩包含轮毂俯仰弯矩和轮毂偏航弯矩，当轮毂合弯矩大于阈值时，独立变桨控制策略激活，降低风电机组的轮毂极限合弯矩，即轮毂合弯矩的最大值，以保障机组的安全运行，同时降低风电机组的变桨系统工作负担。

2.根据权利要求1所述的一种基于独立变桨的风电机组轮毂极限载荷降载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量数据

在叶根坐标系中，设β₁为叶片1桨距角，β₂为叶片2桨距角，β₃为叶片3桨距角，所述桨距角为叶片零度标志线与风轮旋转平面的夹角；M_be,1为叶片1的叶根摆振弯矩，M_be,2为叶片2的叶根摆振弯矩，M_be,3为叶片3的叶根摆振弯矩，所述叶根摆振弯矩垂直于叶片零度标志线；M_bf,1为叶片1的叶根挥舞弯矩，M_bf，2为叶片2的叶根挥舞弯矩，M_bf,3为叶片3的叶根挥舞弯矩，所述叶根挥舞弯矩平行于叶片零度标志线；M_bo,1为叶片1的叶根面外弯矩，M_bo,2为叶片2的叶根面外弯矩，M_bo,3为叶片3的叶根面外弯矩，所述叶根面外弯矩平行于风轮旋转平面，随着风轮旋转；在三只叶片的根部安装载荷传感器，用于测量三只叶片的叶根摆振弯矩M_be,1、M_be,2、M_be,3和叶根挥舞弯矩M_bf,1、M_bf，2、M_bf,3；

在静止轮毂坐标系中，设M_ht为轮毂俯仰弯矩，与水平方向平行；M_hy为轮毂偏航弯矩，与竖直方向平行；θ_r为风轮方位角，即其中一只叶片与竖直方向的夹角；ω_r为风轮转速；在风电机组的主轴安装编码器，测量风轮方位角θ_r；

2)计算三只叶片的叶根面外弯矩，计算公式如下：

M_bo,1＝M_bf,1cosβ₁-M_be,1sinβ₁

M_bo,2＝M_bf,2cosβ₂-M_be,2sinβ₂

M_bo,3＝M_bf,3cosβ₃-M_be,3sinβ₃

3)通过Clark变换计算轮毂合弯矩

将随风轮旋转的三只叶片的叶根面外弯矩M_bo,1、M_bo,2、M_bo,3投影合成为静止轮毂坐标下的轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy，计算公式如下：

4)轮毂弯矩动态滤波

将轮毂俯仰弯矩M_ht、轮毂偏航弯矩M_hy依次经过低通滤波器和至少一个nP陷波器后，得到滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt；其中，nP陷波器为风轮旋转频率的n倍，n＝3,6,9…；

低通滤波器的传递函数如下：

nP陷波器的传递函数如下：

其中，s为拉普拉斯变换后的复变量，ξ_p为低通滤波器的阻尼，ω_p为低通滤波器的截止频率；ξ_np，1为决定陷波强度的陷波器阻尼，ξ_np,2为决定陷波带宽的陷波器阻尼；ω_np为nP陷波器的中心频率，根据低通滤波后的发电机转速ω_gLp确定，计算公式如下：

其中，G为风电机组的齿轮箱增速比；

5)复数处理

滤波后的俯仰弯矩M_htFilt、偏航弯矩M_hyFilt分别作为实部和虚部组成复数M_hty；复数M_hty的幅值A_hty及相角θ_hty的计算公式如下：

θ_hty＝arctan(M_hyFilt/M_htFilt)

6)独立变桨激活控制策略

当复数M_hty的幅值A_hty大于阈值A_htyThr时，风电机组主控系统的独立变桨PI控制器激活；当复数M_hty的幅值A_hty小于或等于阈值A_htyThr时，独立变桨PI控制器的比例控制器输出的桨距角为零，独立变桨PI控制器的积分控制器输出的桨距角被合理衰减至零；

复数M_hty的幅值A_hty减去阈值A_htyThr得到轮毂合弯矩偏差E_hty，轮毂合弯矩偏差E_hty与零取最大值得到E_htyLim；比例控制器输出的桨距角β_tyP由下式给出：

β_tyP＝K_tyPE_htyLim＝K_tyPmax(A_hty-A_htyThr,0)

其中，K_tyP为独立变桨的比例控制增益；

积分控制器的离散输出如下：

其中，β_tyI(k)为积分控制器第k步输出的桨距角，β_tyI(k-1)为积分控制器第k-1步输出的桨距角，K_tyI为独立变桨的积分控制增益，T_s为积分控制器的时间步长，T_dec为积分控制器的衰减时间常数；

积分控制器输出的β_tyI需经过独立变桨最大桨距角β_tyMax的限幅，得到限幅后的桨距角β_tyILim为：

β_tyILim＝min(β_tyI,β_tyMax)

独立变桨PI控制器输出的桨距角β_tyPI为：

β_tyPI＝β_tyP+β_tyILim

β_tyPI经过独立变桨最大桨距角β_tyMax限幅，得到限幅后的桨距角β_tyPILim为：

β_tyPILim＝min(β_tyPI,β_tyMax)

最后，静止轮毂坐标下的独立变桨桨距角设定值是以β_tyPILim为幅值，以θ_hty为相角的复数；轮毂俯仰弯矩M_ht对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimcosθ_hty，轮毂偏航弯矩M_hy对应的独立变桨桨距角设定值为β_tyPILimsinθ_hty；

7)Clark逆变换

独立变桨桨距角设定值经过Clark逆变换即可得到三只叶片的叠加桨距角β_IPC,1、β_IPC,2、β_IPC,3，公式如下：

8)叠加独立变桨桨距角，最终输出给变桨系统的桨距角设定值β_dem,1、β_dem,2、β_dem,3为：

其中，β_c为集中桨距角设定值，由风电机组主控系统的转速偏差-桨距角PID控制器给出；转速偏差-桨距角PID控制器的输入为转速偏差，即依次经过低通滤波器和至少一个nP陷波器后的发电机转速与发电机转速设定值之差；转速偏差-桨距角PID控制器的输出为集中桨距角设定值β_c；转速偏差-桨距角PID控制器的传递函数如下：

其中，K_cP为集中变桨的比例控制增益，K_cI为集中变桨的积分控制增益，K_cD为集中变桨的微分控制增益，T_D为一阶低通滤波器的时间常数。

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