CN113258607B - 基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法属于光伏发电系统的技术领域;解决的技术问题为:提供一种基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,该模型具有良好的内推外插能力,以极小的拟合残差逼近实际运行情况;采用的技术方案为:基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,包括以下步骤:步骤S1)分析光伏发电系统模型及控制系统,步骤S2)建立光伏发电系统动态离散等值模型,步骤S3)光伏发电系统动态离散等值模型参数辨识,步骤S4)仿真验算及分析。
Description
技术领域
本发明基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法属于光伏发电系统的技术领域。
背景技术
目前可再生能源正在改变电力系统,诸如光伏系统等替代能源正取代常规发电。光伏发电系统接入输电网后,让系统负荷特性发生了显著变化。由于光伏系统不同于传统发电资源的独特特性,高的光伏穿透水平会对系统的暂态稳定性产生显著的影响。若电网发生故障,全网动态特性将发生改变。现有的静态负荷模型不再满足工程仿真的需要。因此研究光伏发电系统动态特性、建立不同渗透率之下准确并符合工程实际的光伏发电系统动态离散等值模型是当下负荷建模的重点问题。
在光伏发电系统动态建模研究方面,国内外研究取得很大进展。现有的研究资料对于该方面的研究总是具有一定的缺陷:①研究了光伏发电系统各子系统的动态行为,揭示了光伏并网发电系统各组成部分之间的相互作用,但并未考虑光伏整体动态在特性;②以核心器件逆变器为中心,建立了逆变器直流侧与光伏阵列、交流测与变压器之间整体的动态模型,但没有研究光伏电站与并网母线之间的动态联系;③将逆变器等效为受控电流源和电压源,推导出逼近效果更好的光伏发电系统动态向量模型,但忽略了光伏发电系统的控制作用;④建立含逆变控制的光伏发电系统3阶微分外特性描述,但需要确定模型初始条件,模型参数分散性较大、暂态响应不足;⑤提出三相单级光伏并网系统的动态模型,虽外部特性拟合效果较好,但辨识参数难度较大,不适用于大型光伏电站的电力系统仿真需求;⑥构建描述广义综合负荷的等效模型,辨识难度较小,能有效描述含光伏发电系统配电网的综合负荷特性,但不同渗透率背景下的含光伏发电系统的大电网综合动态响应仍有待研究。
综上所述,光伏发电系统在动态响应建模方面有较大的突破,但比较集中于光伏子系统部分的动态建模,对并网系统的故障特性研究仍然没有形成准确、统一的等值描述;随着光伏并网容量的持续增加,使得负荷暂态特性急剧变化,加之光伏的渗透率越来越明显,光伏发电系统详尽的物理机理建模并不能直接在整体上体现光伏并网对整个电力系统的动态关系,原有的负荷模型已不再适应电网运行。基于该背景对光伏并网系统的动态响应建模研究就变得十分必要。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足,所要解决的技术问题为:提供一种基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,该模型具有良好的内推外插能力,以极小的拟合残差逼近实际运行情况。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,包括以下步骤:
步骤S1)分析光伏发电系统模型及控制系统;
步骤S2)建立光伏发电系统动态离散等值模型;
步骤S3)光伏发电系统动态离散等值模型参数辨识;
步骤S4)仿真验算及分析。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
1、本发明用电流的实部及虚部表征光伏发电并网系统动态4阶模型来描述系统的动态特性,该模型以离散差分方程形式进行描述,与三阶机理模型相比,虽待辨识参数更多,但辨识难度较小、拟合效果更加贴合实际运行情况,比较准确描述光伏发电并网系统的动态响应过程;
2、本发明在Matlab中搭建了光伏发电系统并网仿真模型,设置不同渗透率下不同电压扰动,以最小二乘法辨识等值模型的未知参数,与实测数据进行对比得到极小的拟合残差,经过辨识发现参数之间存在特殊的求和关系,根据此规律,将其作为检验参数是否辨识正确的依据,仿真验证了该模型拟合效果良好,能更好逼近光伏发电系统的动态特性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明;
图1为本发明的方法流程示意图;
图2为本发明中光伏发电系统并网模型示意图;
图3为本发明中光伏发电系统并网控制拓扑结构图;
图4为本发明中光伏发电系统单相动态离散等值模型;
图5为本发明中光伏发电系统并入IEEE14节点拓扑图;
图6为本发明中渗透率110%模型动态响应描述;
图7为本发明中渗透率60%模型动态响应描述。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
电力系统负荷建模是电力系统运行仿真的基础,正确的负荷模型对于潮流与稳定计算至关重要。长期以来,人们对发电系统已经进行了大量的机理研究,得出了适用于不同精度需要的仿真模型。但随着大量分布式光伏发电系统接入输电网,电网的不确定性提高,负荷波动性愈加明显。由于理想化的负荷模型结构与发、配电系统之间存在严重不平衡,造成实际运行情况差异较大,导致电力系统建模可信度大大降低,传统的ZIP负荷模型已不再适用。更有甚者,若电压以较快的速度大范围变化时,采用纯静态负荷模型将产生巨大的计算误差。因此,负荷的随机性、时变性、非线性及离散性对电力系统负荷建模提出巨大挑战,必须采用动态的负荷模型。
动态负荷模型是用来描述有功、无功与电压、频率之间的微分关系。研究光伏发电系统动态特性要求构建的光伏发电系统负荷模型不仅结构简单、准确,而且能够综合反映光伏发电系统模型的动态特性。在现有研究中,负荷功率恢复特性的动态负荷模型结构得到了广泛认可,本发明基于光伏发电系统3阶微分外特性方程,提出了四阶动态非机理模型,以并网点电流实部和虚部与并网电压之间的数学关系来描述光伏发电系统动态特性。该模型为保留功率因素的前提下的另外的数学描述,提高了光伏发电系统动态仿真的精度。仿真表明,该种模型具有良好的内推外插能力,以极小的拟合残差逼近实际运行情况。
如图1所示,本发明基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,包括以下步骤:
步骤S1)分析光伏发电系统模型及控制系统;
步骤S2)建立光伏发电系统动态离散等值模型并进行参数推导;
步骤S3)光伏发电系统动态离散等值模型参数辨识;
步骤S4)仿真验算及分析。
所述的步骤S1)分析光伏发电系统模型及控制系统:
光伏发电系统并网模型如图2所示,典型的光伏发电系统由光伏阵列、DC/DC升压变换器、DC/AC三相逆变器及滤波器经过隔离变压器并入输电网,研究光伏发电系统的外部特性,主要研究电网发生故障时,并网点母线电压发生不同程度的电压跌落后,光伏发电系统逆变器交流部分与并网点功率、电压之间的变化关系,得出反应该变化关系的离散差分方程,因此主要研究光伏逆变器交流部分与并网母线之间的动态联系,光伏阵列模型及升压变换在此不做说明;
根据国家对并网光伏的相关规定,分布式光伏并入电网单个容量不能超6MW,因此对于小容量的分布式光伏发电系统不考虑低电压穿越,由于本发明研究的是整个系统的动态过程,过程极短,相对于电网暂态变化的毫秒级,光伏系统的时间尺度更长,因此假设在极小的时间尺度下,光伏阵列的光照强度及温度变化不发生变化,视为一个恒流源,为保证光伏整列工作在最佳状态,采用MPPT跟踪控制,逆变器的控制参数已知、调制参数为固定值、采用双环控制、PWM脉宽调制,此时光伏发电系统的外部特性完全取决于并网点的电压变换情况,对于外部电网,光伏发电系统动态特性模型如式(1)所示:
令ugq为0,则:
其中,P、Q表示光伏发电系统发出的有动功率和无功功率,Ugd,Ugq和Id,Iq分别表示为光伏发电系统并网电压和电流的d-q轴分量;
由(1)、(2)可知:控制并网电流的d-q轴分量能控制光伏发电系统的有功功率及无功功率,控制系统经功率外环实现MPPT控制、电流内环得到调制比,采用d-q坐标矢量解耦控制,PLL锁相环节得到脉宽调制信号。
如图3所示为光伏发电系统并网控制拓扑结构图,图中,vdc-ref为直流侧参考电压;Id-ref、Iq-ref为有功电流及无功电流参考值;Ed、Eq、Ud、Uq为并网母线及逆变交流侧三相电压的d、q轴分量;L为等值电感,ω为同步频率。
所述的步骤S2)建立光伏发电系统动态离散等值模型并进行参数推导:
为合理准确的描述光伏动态系统动态特性,建立如图4所示的光伏发电系统单相动态离散等值模型,合理准确的描述光伏动态系统动态特性,其中,Udc为光伏直流侧电压;ipv为光伏输出电流;R、L表示逆变器到并网点的等值电阻及电抗;
根据基尔霍夫电压电流定律,得出光伏发电系统的动态等值数学描述,进行简单的派克变换,即可得到以d-q轴分量为状态变量的3阶动态微分方程如式(3)所示:
其中,Uid、Uiq分别表示逆变器出口电压的d-q轴分量,ipv为光伏输出电流;Sq和Sd为开关向量在同步坐标系下的d-q轴分量;C为光伏发电系统直流侧电容;
将增量形式的式(3)变形,得到频域下的负荷模型如式(4)所示:
式中:
进一步得到电流的实部与虚部相对于并网电压的传递函数如式(5)所示:
式(5)进行坐标变换及双线性变换得到关于电流实部虚部的差分方程如式(6)所示:
最终获得参数推导结果:
其中h为采样步长。
研究系统的动态特性,需要找到能描述该特性的等值数学描述。系统的动态特性被认为表现在变化的输入输出数据当中。参数辨识是利用已知的输入输出数据估计出未知参数,提炼出所研究对象的数学模型。
所述的步骤S3)光伏发电系统动态离散等值模型参数辨识:
光伏发电系统动态离散等值模型以最小二乘法进行参数辨识,经一次仿真获取该模型及实测下输配电网并网处的电压、有功功率及无功功率,作为式(6)差分方程的已知条件,求出包括电流实部虚部、并网电压在不同时刻下的18个动态等值系数,最小二乘法是解决曲线拟合问题最常用的方法,不考虑随机噪声的影响,按照最小方差为目标修正参数估计,选取m组观测数据,若对应的非线性模型方程如式(7)所示:
yi=f(xi,θ),i=1,2,...,m (7)
式中:xi=[xi1,xi2,...,xim]T,θ=[θ1,θ2,...,θn]T,y-f(xi,θ)=ε;
则系统的方差如式(8)所示:
式(9)为最小二乘法的参数估计值,目的是对原来的参数进行修正得到新的估计值,这样可以保证最小二乘法在样本数量巨大且复杂的情况下也能较为精确的拟合,参数拟合的过程使用系统均方根误差记为RMES来表征实际数据与等值模型输出误差,如式(10)所示:
将光伏系统实测数据与等值模型的仿真数据进行拟合,得出辨识结果,以验证模型准确性。
所述的步骤S4)仿真验算及分析:
在MATLAB仿真平台搭建如图5所示的输配电仿真系统,输配电仿真系统包括输电系统和配电系统,输电系统为IEEE14节点系统模型,光伏发电系统作为配电系统,双绕组变压器T2经节点7接入输电系统,设定光伏发电系统接入IEEE14节点系统处为并网点,在并网点处进行三相接地故障仿真分析及参数辨识,进行拟合验证模型的准确性,验证过程包括:
步骤S41)模型有效性验证的参数设置
1)设置输电系统参数,IEEE14节点中额定母线电压为23kV,系统频率为50Hz,基准容量为100MW,系统阻抗采用串联型RL,参数分别为电感0.618H、串联电阻0.4Ω;
2)设置配电系统参数,光伏电站总容量分别设置为1MW、1.5MW;取节点7即并网点所在母线电压为23kV。变压器T2变比为23kV/0.7kV。光伏阵列参数如表1所示,并设光伏电站初始工作光照强度1000W/m2,温度为25℃;
表1光伏阵列参数
3)算例设置:为验证在不同渗透率下所提光伏发电系统动态离散等值模型的有效性,需要获取不同渗透率下光伏发电系统动态特性的实际数据,因此,设置光伏渗透率在110%、60%两种场景,电网于2.5s时发生三相接地故障,故障仿真时间持续0.01s,模拟并网母线电压跌落分别为3%、5%时的光伏发电系统动态特性,假设整个过程外界光照强度及温度保持固定值,以不同场景下所获取并网点的有功功率、无功功率及母线电压作为仿真实验的已知条件,用电流实部虚部及母线电压共同表征光伏发电系统动态行为,通过已知量辨识动态离散等值模型的未知系数,将光伏发电系统的实际情况与等值模型仿真拟合数据进行对比,计算对应不同场景下不同电压跌落时的残差并分析比较其拟合情况;
步骤S42)不同渗透率下电网故障仿真分析
设置两种不同渗透率场景:场景一下光伏渗透率为110%,场景二下光伏渗透率达60%。在两种不同渗透率场景下电网分别发生分别发生3%、5%的电压跌落时,得到光伏发电系统动态响应拟合情况如图6、图7所示,以场景一为例,当电网未发生三相接地故障时,光伏发电系统发出75MW的有功功率给输电网,同时向其发出29Mvar的感性无功功率。因此在电网稳定时,光伏发电系统能够满足IEEE14节点系统的有功需求、消耗输电网无功功率;当电网发生三相故障且电压跌落设置为3%时,光伏发电系统有功功率陡然下降、光伏发电系统吸收无功功率。待故障消失后,输配电系配电系统恢复静态稳定;当电压跌落5%时,进行纵向对比分析得出电网电流动态需求响应基本与电压跌落3%时的变化相一致。但不论何种电压跌落,电流实部响应更长,相比之下电流虚部的动态响应恢复稳定的时间更短;
当光伏渗透率达到60%时,不同电压跌落下的光伏发电系统动态离散等值模型与实际工况之间仅存在很小的拟合误差,整体拟合情况较好。所建模型在故障发生以后,电流实部及虚部都能准确描述系统的动态过程。但模型经辨识后波动幅度较大,恢复稳定的时间较长,与实际运行情况仍然存在一定的误差。
结合以上两种场景故障的仿真拟合情况进行以下分析:
1)仿真条件:在相同渗透率下,光伏发电系统电压跌落程度越大,动态离散等值模型的拟合残差越大,在相同电压跌落下,渗透率越高,动态离散等值模型的拟合残差越大;
2)仿真结果:在相同渗透率背景下,电压跌落3%时电流实部拟合误差比电流虚部更小,但当电压跌落5%时,电流虚部的拟合程度较电流虚部更好,因此,电压跌落越小,对电流实部影响较小、电流虚部影响偏大,反之亦然;
基于不同光伏渗透率下不同电压跌落的动态拟合仿真实验,结合表2及表3的辨识结果,在不同渗透率不同电压跌落,前六个辨识的参数之和约等于1,剩下五个辨识参数的和约为0。可以将此作为新的参数辨识求解思路,检验参数是否辨识正确的依据。有效提高辨识计算速率,并且保证准确性。
表2电流实部参数辨识结果
表3电流虚部参数辨识结果
步骤S43)仿真分析结论
结合以上仿真算例及表4残差计算结果分别验证了不同渗透率下模型的内推、外插能力。上述均表明该光伏发电系统动态离散等值模型具有非常良好的描述能力,能很好的描述光伏发电并网系统的动态特性,且辨识难度较小。实验结果有力验证了所建模型极其逼近光伏发电系统实际运行工况,能准确的描述光伏发电系统动态特性。
表4不同渗透率下电流参数拟合结果
本发明基于对光伏发电系统详细机理模型研究提出了一种计及不同渗透率下光伏发电系统动态离散等值模型。主要结论如下:
(1)用电流的实部及虚部表征光伏发电并网系统动态4阶模型来描述系统的动态特性。该模型以离散差分方程形式进行描述,与三阶机理模型相比,虽待辨识参数更多,但辨识难度较小、拟合效果更加贴合实际运行情况,比较准确描述光伏发电并网系统的动态响应过程;
(2)在Matlab中搭建了光伏发电系统并网仿真模型,设置不同渗透率下不同电压扰动,以最小二乘法辨识等值模型的未知参数,与实测数据进行对比得到极小的拟合残差,经过辨识发现参数之间存在特殊的求和关系,根据此规律,将其作为检验参数是否辨识正确的依据,仿真验证了该模型拟合效果良好,能更好逼近光伏发电系统的动态特性。
Claims (4)
1.基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤S1)分析光伏发电系统模型及控制系统;
步骤S2)建立光伏发电系统动态离散等值模型并进行参数推导;
步骤S3)光伏发电系统动态离散等值模型参数辨识;
步骤S4)仿真验算及分析;
所述的步骤S1)分析光伏发电系统模型及控制系统:
光伏发电系统由光伏阵列、DC/DC升压变换器、DC/AC三相逆变器及滤波器经过隔离变压器并入输电网,研究光伏发电系统的外部特性,主要研究电网发生故障时,并网点母线电压发生不同程度的电压跌落后,光伏发电系统逆变器交流部分与并网点功率、电压之间的变化关系,得出反应该变化关系的离散差分方程,因此主要研究光伏逆变器交流部分与并网母线之间的动态联系;
整个系统的动态过程,过程极短,相对于电网暂态变化的毫秒级,光伏系统的时间尺度更长,因此假设在极小的时间尺度下,光伏阵列的光照强度及温度变化不发生变化,视为一个恒流源,为保证光伏整列工作在最佳状态,采用MPPT跟踪控制,逆变器的控制参数已知、调制参数为固定值、采用双环控制、PWM脉宽调制,此时光伏发电系统的外部特性完全取决于并网点的电压变换情况,对于外部电网,光伏发电系统动态特性模型如式(1)所示:
令ugq为0,则:
其中,P、Q表示光伏发电系统发出的有动功率和无功功率,Ugd,Ugq和Id,Iq分别表示为光伏发电系统并网电压和电流的d-q轴分量;
由(1)、(2)可知:控制并网电流的d-q轴分量能控制光伏发电系统的有功功率及无功功率,控制系统经功率外环实现MPPT控制、电流内环得到调制比,采用d-q坐标矢量解耦控制,PLL锁相环节得到脉宽调制信号;
所述的步骤S2)建立光伏发电系统动态离散等值模型并进行参数推导:
建立光伏发电系统单相动态离散等值模型,合理准确的描述光伏动态系统动态特性,其中,Udc为光伏直流侧电压;ipv为光伏输出电流;R、L表示逆变器到并网点的等值电阻及电抗;
根据基尔霍夫电压电流定律,得出光伏发电系统的动态等值数学描述,进行简单的派克变换,即可得到以d-q轴分量为状态变量的3阶动态微分方程如式(3)所示:
其中,Uid、Uiq分别表示逆变器出口电压的d-q轴分量,ipv为光伏输出电流;Sq和Sd为开关向量在同步坐标系下的d-q轴分量;C为光伏发电系统直流侧电容;
将增量形式的式(3)变形,得到频域下的负荷模型如式(4)所示:
式中:
进一步得到电流的实部与虚部相对于并网电压的传递函数如式(5)所示:
式中,θ0为并网功率因素角;
式(5)进行坐标变换及双线性变换得到关于电流实部虚部的差分方程如式(6)所示:
最终获得参数推导结果:
其中h为采样步长。
2.根据权利要求1所述的基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,其特征在于所述的步骤S3)光伏发电系统动态离散等值模型参数辨识:
光伏发电系统动态离散等值模型以最小二乘法进行参数辨识,经一次仿真获取该模型及实测下输配电网并网处的电压、有功功率及无功功率,作为式(6)差分方程的已知条件,求出包括电流实部虚部、并网电压在不同时刻下的18个动态等值系数,最小二乘法是解决曲线拟合问题最常用的方法,不考虑随机噪声的影响,按照最小方差为目标修正参数估计,选取m组观测数据,若对应的非线性模型方程如式(7)所示:
yi=f(xi,θ),i=1,2,...,m (7)
式中:xi=[xi1,xi2,...,xim]T,θ=[θ11,θ2,...,θn]T,y-f(xi,θ)=ε;
则系统的方差如式(8)所示:
式(9)为最小二乘法的参数估计值,目的是对原来的参数进行修正得到新的估计值,这样可以保证最小二乘法在样本数量巨大且复杂的情况下也能较为精确的拟合,参数拟合的过程使用系统均方根误差记为RMES来表征实际数据与等值模型输出误差,如式(10)所示:
将光伏系统实测数据与等值模型的仿真数据进行拟合,得出辨识结果,以验证模型准确性。
3.根据权利要求2所述的基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,其特征在于所述的步骤S4)仿真验算及分析:
在MATLAB仿真平台搭建输配电仿真系统,输配电仿真系统包括输电系统和配电系统,光伏发电系统作为配电系统,设定光伏发电系统接入输电系统处为并网点,在并网点处进行三相接地故障仿真分析及参数辨识,进行拟合验证模型的准确性,验证过程包括:
步骤S41)模型有效性验证的参数设置
1)设置输电系统参数;
2)设置配电系统参数;
3)算例设置:为验证在不同渗透率下所提光伏发电系统动态离散等值模型的有效性,需要获取不同渗透率下光伏发电系统动态特性的实际数据,因此,设置光伏渗透率在110%、60%两种场景,电网于2.5s时发生三相接地故障,故障仿真时间持续0.01s,模拟并网母线电压跌落分别为3%、5%时的光伏发电系统动态特性,假设整个过程外界光照强度及温度保持固定值,以不同场景下所获取并网点的有功功率、无功功率及母线电压作为仿真实验的已知条件,用电流实部虚部及母线电压共同表征光伏发电系统动态行为,通过已知量辨识动态离散等值模型的未知系数,将光伏发电系统的实际情况与等值模型仿真拟合数据进行对比,计算对应不同场景下不同电压跌落时的残差并分析比较其拟合情况;
步骤S42)不同渗透率下电网故障仿真分析
设置在两种不同渗透率场景下电网分别发生分别发生3%、5%的电压跌落时,得到光伏发电系统动态响应拟合情况,分析当电网未发生三相接地故障时以及电网发生三相故障且分别发生3%、5%的电压跌落时,光伏发电系统有功功率以及光伏发电系统吸收无功功率状况,最终得出结果为:不论何种电压跌落,电流实部响应更长,相比之下电流虚部的动态响应恢复稳定的时间更短;
结合以上两种场景故障的仿真拟合情况进行以下分析:
1)仿真条件:在相同渗透率下,光伏发电系统电压跌落程度越大,动态离散等值模型的拟合残差越大,在相同电压跌落下,渗透率越高,动态离散等值模型的拟合残差越大;
2)仿真结果:在相同渗透率背景下,电压跌落3%时电流实部拟合误差比电流虚部更小,但当电压跌落5%时,电流虚部的拟合程度较电流虚部更好,因此,电压跌落越小,对电流实部影响较小、电流虚部影响偏大,反之亦然;
步骤S43)仿真分析结论
光伏发电系统动态离散等值模型具有非常良好的描述能力,能很好的描述光伏发电并网系统的动态特性,且辨识难度较小,所建光伏发电系统动态离散等值模型极其逼近光伏发电系统实际运行工况,能准确的描述光伏发电系统动态特性。
4.根据权利要求3所述的基于不同渗透下的光伏发电系统动态离散等值模型建立方法,其特征在于:所述的基于不同光伏渗透率下不同电压跌落的动态拟合仿真实验,结合电流实部参数和电流虚部参数的辨识结果,在不同渗透率不同电压跌落,辨识的参数之和作为新的参数辨识求解思路,检验参数是否辨识正确的依据。
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