CN114447971B - 具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，包括n个并联使用的储能设备，储能设备由超级电容和电池并联形成模块化结构；超级电容和电池混合储能设备运行时，根据外部功率需求指令或电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制对超级电容和\或电池充放电，功率输入时，根据超级电容与电池的荷电状态阈值与各自的实际荷电状态检测值的差值PI控制输出电池与超级电容的电流控制指令，实现对超级电容与电池充电控制；功率输出时，先由超级电容进行，超级电容无法完全响应功率需求指令时，控制电池进行剩余功率输出。本发明解决了短时间尺度频繁大功率需求，满足了长时间尺度的小倍率充放电的大能量需求，有利于延长电池寿命。

Description

具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备

技术领域

本发明涉及混合储能设备技术领域，特别是涉及一种具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备。

背景技术

根据国家2030年前碳达峰和2060年碳中和宏观能源规划，大于80%的能源来自于可再生能源。因此，对能源的产生、运输、调配、使用均需要质量更好、性能更优、环境适应性更广、自身功能更加强大的储能设备进行电能调配和转换，以满足各种类型电力系统安全性、时间可控制性、电能高质量性、经济价值最优性。因此，开发一种具有普遍适应性的混合储能设备以满足上述需要，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种超级电容和电池混合储能设备，利用超级电容秒到分钟级充放电、毫秒级爬坡响应、满充放50万次以上、超宽工作温度区域-40℃～70℃、安全性高无起火爆炸风险、高功率密度达6kW/kg以上、充放电倍率达100C以上、制备无污染材料简单易于回收处理、荷电状态（SOC）与电压线性相关的特性，与电池能量密度高的特性相结合，可以最大限度的满足各种电力系统，无论是发电侧、电网侧还是用户侧均可满足各种需求，具有普遍适用性。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种超级电容和电池混合储能设备，包括n个并联使用的储能设备，n≥1，储能设备由超级电容和电池并联形成模块化结构；n个储能设备各自通过一变压器与电源电网AC连接；

超级电容和电池混合储能设备基于约定的S信号的值，根据所接收的外部的功率需求指令运行或不接收外部的功率需求指令时，根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行时，基于超级电容、电池的荷电状态阈值控制超级电容和\或电池充电或放电；

其中，S信号为外部上位机与控制储能设备运行的总控制器内部通讯输入的约定信号， S为-1与1间的常数， S>0时，总控制器接收外部上位机的功率需求指令，控制超级电容和电池混合储能设备根据功率需求指令运行， S<0时，总控制器不接收功率需求指令，控制超级电容和电池混合储能设备根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行；

其中，该超级电容和电池混合储能设备进行功率输入时，根据超级电容与电池的荷电状态阈值与各自的实际荷电状态检测值的差值进行PI控制，通过PI控制输出最终电池与超级电容的电流控制指令，实现对超级电容与电池的充电控制；该超级电容和电池混合储能设备进行功率输出时，首先由所述储能设备的超级电容进行功率输出，当超级电容受其荷电状态约束限制而无法完全响应功率需求指令时，根据功率需求和超级电容的供应功率，计算所需电池输出功率，控制电池进行剩余功率输出，以满足电网功率需求。

本发明具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，在发电侧、电网侧和用户侧具有普遍适用性，采用超级电容与电池混合储能设计，利用超级电容秒到分钟级充放电、毫秒级爬坡响应、满充放50万次以上、超宽工作温度区域-40℃～70℃、安全性高无起火爆炸风险、高功率密度达6kW/kg以上、充放电倍率达100C以上、荷电状态（SOC）与电压线性相关的特性，与电池的能量密度高的特性结合，起到对电池的保护作用，可以最大限度的满足各种电力系统，无论是从发电侧、电网侧还是用户侧，均可满足各种需求，具有普遍适用性。

本发明具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，在发电领域不限于辅助火力发电调频、可再生光伏和风力发电能源提供辅助动态运行和取代或延缓新建机组功能，提供功率平滑输出、削峰填谷、爬坡率控制功能，在电网调度服务领域提供调频、电压支持、调峰、备用容量功能，在输配电领域提供无功支持、缓解线路阻塞、延缓输配电扩容升级、备用电源功能，在用户领域提供可靠的优质电能，紧急备用电源，用户分时电价出力功能。

附图说明

图1是本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备的电气结构拓扑逻辑示意图。

图2是本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备的超级电容、电池充放电过程分段示意图。

图3是本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备的总体协调控制框图。

图4是本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备的充电控制图。

图5为本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备的放电控制图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，包括电源电网AC、n个变压器T1至Tn、n个超级电容与电池储能设备，n是大于等于1的整数。

其中，电源电网AC适用于交流AC400V、AC690V、AC10kV等各种类型电网电源，变压器T1至变压器Tn电压等级适用于交流AC400V、AC690V、AC10kV等各种电压等级变压器。超级电容与电池储能设备采用模块化方式，可n套设备并联适用。

其中，超级电容与电池储能设备内部采用超级电容和电池模块化设计，可进行相同模块之间的串并联安装。超级电容内部采用CMS电容管理系统控制器与超级电容控制器进行通信，通信方式可以选择CAN通信，或是选择RS485通信。电池内部采用BMS电池管理系统控制器与电池控制器进行通信，通信方式可以选择CAN通信，或是选择RS485通信。

其中，超级电容控制器与电池控制器进行通信，通信方式可以选择CAN通信，或是选择RS485通信。

其中，每个储能设备配一集中控制器，每个储能设备内部的超级电容通过电容管理系统控制器CMS与超级电容控制器通信，电池通过电池管理系统控制器BMS与电池控制器通信；每个储能设备的集中控制器与超级电容控制器、电池控制器通信；n个集中控制器通信且其中一个集中控制器与总控制器通信。

其中，每个储能设备的电池与超级电容的正极、负极分别连接一个电阻（R11、R12至Rn1、Rn2）的一端，连接电池的两个电阻的另一端与连接超级电容的两个电阻的另一端分别连接一个开关的一端，每个所述开关的另一端连接一个AC\DC模块的一端，每个AC\DC模块另一端连接一个接触器的一端，接触器的另一端与一个变压器一端连接。

其中，集中控制器进行设备内部超级电容与电池之间的总协调控制，根据不同使用场合对各自的超级电容控制器、电池控制器下发不同的命令，保证单套设备符合各种运行要求。

其中，超级电容与电池形成的储能设备成组运行时，集中控制器K1与集中控制器Kn进行通讯，通信方式可以选择CAN通信，或是选择RS485通信，最终由集中控制器K1将整个设备的信息传送给总控制器，由总控制器控制分析，根据不同设备运行状态和不同使用场合分配给不同组设备命令进行整体协调控制，保证整套系统安全可靠运行。

其中，超级电容与电池储能设备的集中控制器连接的HMI界面对本套储能设备的各种控制和状态信息进行显示，并能提供独立运行操作，总控制器连接的HMI界面负责整套设备的控制和状态信息进行显示，并提供整体监控运行操作，且集中控制器以及总控制器均可以连接上位机，接收连接的上位机指令进行独立控制。

其中，超级电容控制器控制过程中,利用超级电容特性秒到分钟级充放电、毫秒级爬坡响应、满充放50万次以上、充放电倍率达100C以上、荷电状态（SOC）与电压线性相关技术特点,可满足用户对瞬时功率的任何要求，结合电池控制器控制过程中利用电池特性能量密度高技术特点，最终通过总控制器控制算法最优分配后,输出各种场合下的目标指令和实际电源输出。

其中，电池的SOC荷电状态计算方式如下：

SOC（bat,t+1）= SOC（bat,t）+

式中，SOC为电池t+1和t时刻荷电状态约束，

为t时刻电池功率，

为电池的充电与放电状态变量，充电时

为1，

为0，放电时，

为0，

为1，Cbat为电池储能的标称容量，

分别为电池的充电与放电效率因数。

上述的该

值等于电网系统角频率W与系统介质等效电容C和系统损耗电阻R三者乘积的倒数，W、C和R可由功率分析仪与LCR数字电桥在现场测得，超级电容荷电状态计算公式与上式相同,如下：

其中，每个储能设备的超级电容的荷电状态计算方式如下：

SOC（cap,t+1）= SOC（cap,t）+

式中，SOC为超级电容t+1和t时刻荷电状态约束，

为t时刻超级电容功率，

为超级电容充电状态变量，

为超级电容放电状态变量；充电时

为1，

为0；放电时，

为0，

为1；

为超级电容储能的标称容量，

分别为超级电容充电与放电效率因数。

本发明实施例，总控制器采用分层分段控制策略实时进行功率输出调节，考虑储能全局荷电状态的优化结果，实时功率分配过程中，考虑到指令信号存在随机性或对混合储能系统充电或者放电，为了保持系统实际最大可调度容量与目标调节系统功率接近，将超级电容和电池储能的荷电状态分别控制在（50±a）%，将超级电容、电池充电及放电过程分别分段控制，a为荷电状态分配裕度指标，取值范围为1至5之间的数，当超级电容或电池的荷电状态达到上述的阈值时，停止放电，对超级电容或电池进行充电。

参见图2所示，A→B→C→D 表示超级电容、电池处于充电过程，E→C→B→F 表示超级电容、电池处于放电过程。各阶段的功率分配策略依据外部输入的S信号决定。

设S信号为外部总调度室上位机（ems）与总控制器内部通讯输入约定信号，约定S为-1与1之间的常数，S为正则，即S>0默认S=0.5。总控制器通过通讯系统接收外部上位机（ems）发送过来的功率需求指令信号（Pems），通过分段控制策略和SOC荷电状态约束值，对系统内超级电容或电池充电或放电。

S为负，即S<0默认S=-0.5，总控制器不接收所连接的外部上位机（ems）发送过来的功率指令信号，总控制器根据系统传感器对电源电网AC的输出功率的功率检测值（Pmea）、电源电网AC的电压检测值Vabc和电流检测值Iabc自适应控制超级电容以及电池的充电或放电，其控制方式详见图3所示总体协调控制框图。

参见图3所示，图中，Vabc为第一个混合储能设备的输出电压检测值V1abc至第n个混合储能设备的输出电压检测值Vnabc的平均有效值，即电网线电压有效值；Iabc为第一个混合储能设备的输出电流检测值I1abc至第n个混合储能设备的输出电流检测值Inabc的总和值，即电网总电流有效值；

PLL为锁相环,θ为相角，△f为频率偏差，K为过程有功增量系数，取值范围为负超级电容标称容量和正超级电容标称容量内的任意整数，依据不同应用场所调试选择最优值；△Ps=△f×K，

Vabc×Iabc×cosθ。输入的电网线电压有效值Vabc经过电路的锁相环PLL处理后，形成△f，再经与过程有功增量系数K相积，通过计算，形成电网的增量功率△Ps，同时，输入的电网线电压有效值Vabc与电网总电流有效值输入功率变换模块，通过前述的计算，形成电网的总输出功率P_S；

其中，电网的增量功率△Ps与电网的总输出功率Ps经过S信号功能，选择是否参与到分层分段实时功率整体调节策略中，参见图3所示，最后输出电池输出功率Pbat和超级电容输出功率Pcap；其中，Pbat和Pcap等于当前输出控制程序下的输出电流值与电网电压与1.732之积，经由过充过放保护进行保护后，分别输出电池总输出功率Pbat_out和超级电容总输出功率Pcap_out，两种功率分别除以n，则为超级电容与电池储能设备1到n每套储能设备需要输出的功率值。

在得到每个储能设备的输出功率值后，在对储能设备内部进行功率分配时，功率分配采用分层分段控制策略，第一层系统功率指令完全由超级电容储能响应，电池不参与功率输出，以降低电池储能的输出次数，满足系统功率输出要求。由于超级电容爱受荷电状态约束限制，出现无法完全响应功率指令时，系统通过电池荷电状态值和电池放电控制流程（参见图3所示），根据外部的总功率需求指令和超级电容系统供应功率，计算出电池功率输出指令，计算出t时刻电池所能供应的能量，此时电池储能系统承担剩余部分功率输出。

本发明实施例的分段控制中，在对电池进行充电控制时，参见图4所示，电池控制器根据电池SOC荷电状态最终控制目标SOCbat_ref为（50±a）%，与实际电池荷电状态SOCbat_mea检测值进行PI控制，PI控制输出通过二阶低通滤波器F2输出最终电池电流控制指令Ibat_ref。

在对超级电容进行充电控制时，超级电容控制器根据超级电容SOC荷电状态，最终控制目标SOCcap_ref为（50±a）%，与实际SOCcap_mea超级电容荷电状态检测值进行PI控制，PI控制输出功率指令Pcap_ref与检测电网电压Vabc*1.732有效值求取商，输出最终超级电容电流控制指令Icap_ref。

参见图5所示，在分段控制时，当 S>0时，对超级电容放电控制时，是对上位机（ems）下发的功率指令（Pems）与实际检测功率Pmea进行差值计算，功率差值通过PI控制（图5中PId指电池自适应放电PI控制），PI控制输出超级电容放电控制功率参考值Pcap_ref_d与电网电压Vabc*1.732商值Icap_ref_d，即超级电容放电控制电流输出指令值。

S>0时，电池放电控制是，将超级电容放电控制功率参考值Pcap_ref_d差值与实际检测功率Pmea进行差值计算，差值通过PI控制（图5中PId指电池自适应放电PI控制）后的输出值通过二阶低通滤波器F2输出最终电池电流控制指令Ibat_ref_d，即电池放电控制电流输出指令值。

当S<0时，超级电容放电控制是，将△Ps与Ps求和，然后与实际检测功率Pmea进行差值计算，差值通过PI控制（图5中PIds指超级电容自适应放电PI控制），PI控制输出超级电容放电控制功率参考值Pcap_ref_d_s与电网电压Vabc*1.732商值，即超级电容自适应放电控制电流输出指令值Icap_ref_d_s。

当S<0时，电池放电控制是，将△Ps与Ps求和后，再与超级电容自适应放电控制功率参考值Pcap_ref_d_s相减之差，与实际检测功率Pmea进行差值计算，该差值通过PI控制（图5中PIds指电池放电PI控制），PI控制输出值通过二阶低通滤波器F2输出最终电池电流控制指令Ibat_ref_d_s即电池自适应放电控制电流输出指令值。

下面，以本发明实施例的混合储能设备在发电领域提供功率平滑输出为例对本发明的工作以及使用过程进行详细说明如下，参见图1所示，有n套超级电容与电池储能设备。

S1.变压器T1至变压器Tn的前端开关（S111至Sn11）闭合，变压器T1至变压器Tn得电。

S2.超级电容与电池储能设备1至超级电容与电池储能设备n前端的电池控制器、电容控制器得电，电池控制器、电容控制器分别控制前端的接触器的辅助开关闭合，先通过电网对直流母线电容充电，再闭合接触器的主开关（SB1、SC1至SBn、SCn）进行控制。

S3.超级电容CMS与电池BMS分别检测超级电容与电池内部电量和各种状态数据信息传递给对应的超级电容控制器和电池控制器。

S4.超级电容控制器和电池控制器分别控制n个超级电容与电池储能设备所对应的多个开关(S11、S12至Sn1、Sn2)闭合，将电路接通。

S5，超级电容与电池储能设备1中的集中控制器K1至超级电容与电池储能设备n中的集中控制器Kn与总控制器通讯，将每套设备的各种状态数据信息传送给总控制器，由总控制器监控以及用于功率指令下发使用。

S6.为提供功率平滑输出功能，总控制器采集电网实时功率信息，并对所需要的电网功率进行实时预测，根据预测结果分别输出指令给对应的超级电容与电池储能设备1至超级电容与电池储能设备n的集中控制器K1至集中控制器Kn。

S7.超级电容与电池储能设备1至超级电容与电池储能设备n的集中控制器K1至集中控制器Kn根据总控制器下发的功率指令，结合当前超级电容控制器和电池控制器传输的状态数据下发功率命令至超级电容控制器和电池控制器。

S8.超级电容控制器和电池控制器根据当前电容管理系统控制器CMS和电池管理系统控制器BMS运行状态数据信息，结合集中控制器的功率指令确定由超级电容和\或电池输出电能。

S9.超级电容控制器和电池控制器动作完一个周期后，总控制器根据当前电网功率运行状态进行二次指令输出，自动循环控制。

通过上述总体协调控制后，将向电网发电端提供功率平滑输出功能。

本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，在发电领域不限于辅组火力发电调频、可再生光伏和风力发电能源提供辅助动态运行和取代或延缓新建机组功能，提供功率平滑输出、削峰填谷、爬坡率控制功能，在电网调度服务领域提供调频、电压支持、调峰、备用容量功能，在输配电领域提供无功支持、缓解线路阻塞、延缓输配电扩容升级、备用电源功能，在用户领域提供可靠的优质电能，紧急备用电源，用户分时电价出力功能，该套设备具有发电侧、电网侧、输配电侧和用户侧普遍适用性的技术特点。

本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，采用超级电容与电池混合设计，利用超级电容与电池不同的物理特性，即解决了短时间尺度的频繁大功率需求，也满足了长时间尺度的小倍率充放电的大能量需求，还有利于电池使用延长电池寿命。

本发明实施例的具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备，采用超级电容秒到分钟级充放电、毫秒级爬坡响应、满充放50万次以上、超宽工作温度区域-40℃～70℃、安全性高无起火爆炸风险、高功率密度达6kW/kg以上、充放电倍率达100C以上、制备无污染材料简单易于回收处理、荷电状态（SOC）与电压线性相关的特点，与电池能量密度高的特点相结合，较好的实现超级电容与锂电池之间优势互补，在各个电力领域均可实现1+1大于2的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

应当理解，虽然说明书按实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中技术方案也可适当组合，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.超级电容和电池混合储能设备，其特征在于，包括n个并联使用的储能设备，n≥1，储能设备由超级电容和电池并联形成模块化结构；n个储能设备各自通过一变压器与电源电网AC连接；超级电容和电池混合储能设备基于约定的S信号的值，根据所接收的外部的功率需求指令运行或不接收外部的功率需求指令，根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行时，基于超级电容、电池的荷电状态阈值控制超级电容和\或电池充电或放电；

其中，S信号为外部上位机与控制储能设备运行的总控制器内部通讯输入的约定信号，S为-1与1间的常数，S>0时，总控制器接收外部上位机的功率需求指令，控制超级电容和电池混合储能设备根据功率需求指令运行，S<0时，总控制器不接收功率需求指令，控制超级电容和电池混合储能设备根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行；

其中，该超级电容和电池混合储能设备进行功率输入时，根据超级电容与电池的荷电状态阈值与各自的实际荷电状态检测值的差值进行PI控制，通过PI控制输出最终电池与超级电容的电流控制指令，实现对超级电容与电池的充电控制；该超级电容和电池混合储能设备进行功率输出时，首先由所述储能设备的超级电容进行功率输出，当超级电容受其荷电状态约束限制而无法完全响应功率需求指令时，根据功率需求和超级电容的供应功率，计算所需电池输出功率，再控制电池进行剩余功率输出，以满足电网功率需求；

超级电容和电池混合储能设备根据所接收的外部的功率需求指令运行时，对超级电容的放电控制是，对上位机下发的功率指令与实际检测功率Pmea进行差值计算，然后通过PI控制，输出超级电容放电控制功率参考值Pcap_ref_d与电网电压Vabc*1.732商值，得到超级电容放电控制电流输出指令值Icap_ref_d；对电池放电控制是，将超级电容放电控制功率参考值Pcap_ref_d与实际检测功率Pmea进行差值计算，然后通过PI控制后的输出值通过二阶低通滤波器输出电池放电控制电流输出指令值Ibat_ref_d；

根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行时，对超级电容放电控制是，将△Ps与Ps求和，然后与实际检测功率Pmea进行差值计算并通过PI控制，输出超级电容放电控制功率参考值Pcap_ref_d_s与电网电压Vabc*1.732商值，得到超级电容自适应放电控制电流输出指令值Icap_ref_d_s；对电池放电控制是，将△Ps与Ps求和后，再与超级电容自适应放电控制功率参考值Pcap_ref_d_s相减之差，与实际检测功率Pmea进行差值计算并通过PI控制输出值通过二阶低通滤波器输出电池自适应放电控制电流输出指令值Ibat_ref_d_s；

其中，△Ps＝△f×K，Ps＝1.732×Vabc×Iabc×cosθ，△f为电网的频率偏差，K为电网的过程有功增量系数，θ为相角，Vabc为电网线电压有效值，Iabc为电网总电流有效值。

2.根据权利要求1所述超级电容和电池混合储能设备，其特征在于，所述超级电容与电池的参考荷电状态控制在(50±a)％，a为荷电状态分配裕度指标，取值范围为1至5之间的数。

3.根据权利要求1所述超级电容和电池混合储能设备，其特征在于，每个储能设备的电池的荷电状态计算方式如下：

式中，SOC为电池t+1和t时刻荷电状态约束，Pbat，t为t时刻电池功率，γbat，c为电池充电状态变量，γbat，d为电池放电状态变量；充电时γbat，c为1，γbat，d为0；放电时，γbat，c为0，γbat，d为1；Cbat为电池储能的标称容量，ebat，c，ebat，d分别为电池充电与放电效率因数。

4.根据权利要求1所述超级电容和电池混合储能设备，其特征在于，每个储能设备的超级电容的荷电状态计算方式如下：

式中，SOC为超级电容t+1和t时刻荷电状态约束，Pcap，t为t时刻超级电容功率，γcap，c为超级电容充电状态变量，γcap，d为超级电容放电状态变量；充电时γbat，c为1，γcap，d为0；放电时，γcap，c为0，γcap，d为1；Ccap为超级电容储能的标称容量，ecap，c，ecap，d分别为超级电容充电与放电效率因数。

5.根据权利要求1所述超级电容和电池混合储能设备，其特征在于，每个储能设备配一集中控制器，每个储能设备内部的超级电容通过电容管理系统控制器CMS与超级电容控制器通信，电池通过电池管理系统控制器BMS与电池控制器通信；每个储能设备的集中控制器与超级电容控制器、电池控制器通信；n个集中控制器通信且其中一个集中控制器与总控制器通信。

6.根据权利要求5所述超级电容和电池混合储能设备，其特征在于，每个储能设备的电池与超级电容的正极、负极分别连接一个电阻的一端，连接电池的两个电阻的另一端与连接超级电容的两个电阻的另一端分别连接一个开关的一端，每个所述开关的另一端连接一个AC\DC模块的一端，每个AC\DC模块另一端连接一个接触器的一端，接触器的另一端与一个变压器一端连接。

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