CN115347618A - 一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法,本发明的并网功率变换装置包括驱动电机和用于作为功率变换器的双馈电机,双馈电机的控制绕组用于与被并网的微电网相连,双馈电机的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器,双馈电机的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器,驱动电机与双馈电机的转子同轴连接以用于驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。本发明具有良好的惯性响应和阻尼特性,减少了电流谐波,且能隔离保护新能源电场不受电网故障的影响,提升新能源并网的频率和电压稳定性,实现电网稳定运行。

Description

一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及电网并网技术,具体涉及一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法。
背景技术
近年来,我国可再生能源发电规模飞速增长,构建以新能源的微电网为主体的新型电力系统是目前电力系统发现的必然趋势。目前采用新能源发电的微电网接入电网主要依靠电力电子变换器,电力电子变换器用于将采用新能源发电的微电网所发出的电能通过逆变为交流电后并入电网中。但是,随着新能源渗透率的不断提高,导致电力系统的全网惯量相对不足、全网的频率与电压特性也随之恶化的问题。因此,为了解决新能源高渗透率下的电网安全稳定问题,迫切需要构网型新能源技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题,提供一种用于微电网的并网功率变换装置及其应用方法,本发明具有良好的惯性响应和阻尼特性,减少了电流谐波,且能隔离保护新能源电场不受电网故障的影响,提升新能源并网的频率和电压稳定性,实现电网稳定运行。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种用于微电网的并网功率变换装置,包括驱动电机和用于作为功率变换器的双馈电机,所述双馈电机的控制绕组用于与被并网的微电网相连,所述双馈电机的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器,所述双馈电机的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器,所述驱动电机与双馈电机的转子同轴连接以用于驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
可选地,所述被并网的微电网包括光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和储能电站中的部分或全部。
此外,本发明还提供一种前述用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,包括:S101,将微电网通过所述用于微电网的并网功率变换装置与电网相连;S102,通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
可选地,步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间 的功率传递时,对DC/AC变流器的控制包括:计算DC/AC变流器的直流侧电压
Figure 671124DEST_PATH_IMAGE001
和预设的直 流侧参考电压
Figure 588264DEST_PATH_IMAGE002
的电压差值,并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流
Figure 899160DEST_PATH_IMAGE003
, 计算DC/AC变流器交流侧的d轴电流
Figure 294369DEST_PATH_IMAGE004
、d轴参考电流
Figure 905479DEST_PATH_IMAGE003
的电流差值,并将该电流差值经过 一个PI控制器得到d轴控制电压
Figure 259100DEST_PATH_IMAGE005
;计算DC/AC变流器交流侧的q轴电流
Figure 526133DEST_PATH_IMAGE006
、预设的q轴参 考电流
Figure 521771DEST_PATH_IMAGE007
的电流差值,并将该电流差值经过一个PI控制器得到q轴控制电压
Figure 190650DEST_PATH_IMAGE008
;根据d轴 控制电压
Figure 715172DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 469501DEST_PATH_IMAGE008
生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器中各个桥臂的开 关状态。
可选地,步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间 的功率传递时,对DC/AC变流器的控制包括:计算DC/AC变流器的直流侧电压
Figure 3251DEST_PATH_IMAGE001
和预设的直 流侧参考电压
Figure 526636DEST_PATH_IMAGE002
的电压差值,并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流
Figure 756148DEST_PATH_IMAGE003
, 然后通过预设的电压预测模型生成d轴控制电压
Figure 528932DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 804055DEST_PATH_IMAGE008
,并根据d轴控制电 压
Figure 244264DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 579430DEST_PATH_IMAGE008
生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器中各个开关管的运行状 态,且该电压预测模型的函数表达式为:
Figure 839510DEST_PATH_IMAGE009
Figure 715062DEST_PATH_IMAGE010
上式中,
Figure 213040DEST_PATH_IMAGE011
为双馈电机的控制绕组的电阻,
Figure 515845DEST_PATH_IMAGE012
Figure 466484DEST_PATH_IMAGE013
分别为DC/AC变流器交流 侧在当前时刻k的d、q轴电流,中间变量
Figure 145727DEST_PATH_IMAGE014
Figure 29369DEST_PATH_IMAGE015
为双馈电机的控制绕组的电 感,
Figure 971917DEST_PATH_IMAGE016
为采样周期,
Figure 206590DEST_PATH_IMAGE017
为双馈电机的功率绕组当前时刻k的电角速度,
Figure 423944DEST_PATH_IMAGE018
为双馈电机 当前时刻k的转子电角速度,
Figure 896514DEST_PATH_IMAGE019
为双馈电机的励磁电感,
Figure 541122DEST_PATH_IMAGE020
为功率绕组当前时刻的q轴 电压,
Figure 466353DEST_PATH_IMAGE021
为双馈电机的功率绕组的电感。
可选地,步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时,包括控制驱动电机的转子转速以平衡微电网、电网之间的频率差,使得当功率传递方向为微电网向电网传递时,微电网经DC/AC变流器输出电压的频率、双馈电机的以目标转子转速转动的频率之差等于电网的频率;当功率传递方向为电网向微电网传递时,微电网经DC/AC变流器输出电压的频率、双馈电机的以目标转子转速转动的频率之和等于电网的频率。
可选地,所述控制驱动电机的转子转速是指控制驱动电机的转子转速为目标转子转速;所述双馈电机为无刷双馈电机或者有刷双馈电机,且所述无刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为:
Figure 487398DEST_PATH_IMAGE022
上式中,
Figure 82983DEST_PATH_IMAGE023
为目标转子转速,
Figure 367334DEST_PATH_IMAGE024
为微电网经DC/AC变流器(3)输出的频率、电网侧的 频率之间的频率差,
Figure 576598DEST_PATH_IMAGE025
为控制绕组的极对数,
Figure 604597DEST_PATH_IMAGE026
为功率绕组的极对数,
Figure 317338DEST_PATH_IMAGE027
为无刷 电机转子的极对数;所述有刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为:
Figure 507011DEST_PATH_IMAGE028
上式中,
Figure 203572DEST_PATH_IMAGE023
为目标转子转速,
Figure 300841DEST_PATH_IMAGE024
为微电网经DC/AC变流器输出的频率、电网侧的频 率之间的频率差,
Figure 602509DEST_PATH_IMAGE029
为有刷双馈电机的极对数。
可选地,步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间 的功率传递时,包括通过转速控制器生成输出电压
Figure 759821DEST_PATH_IMAGE030
以实现对驱动电机的电压进行控制, 且转速控制器生成输出电压
Figure 146940DEST_PATH_IMAGE030
包括:
S201,获取微电网经DC/AC变流器(3)输出的频率
Figure 313479DEST_PATH_IMAGE031
、电网侧的频率
Figure 735233DEST_PATH_IMAGE032
S202,根据下式计算转速给定值
Figure 532288DEST_PATH_IMAGE033
Figure 937862DEST_PATH_IMAGE034
上式中,
Figure 111354DEST_PATH_IMAGE035
为双馈电机的极对数;
S203,计算双馈电机的转子转速
Figure 653194DEST_PATH_IMAGE023
、转速给定值
Figure 417887DEST_PATH_IMAGE033
之间的转速差值,并将该转速 差值经过一个PI控制器得到输出电压
Figure 514019DEST_PATH_IMAGE030
可选地,步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间 的功率传递时,包括通过相位控制器生成输出电压
Figure 756782DEST_PATH_IMAGE036
以实现对驱动电机的电压进行控制, 且相位控制器生成输出电压
Figure 621970DEST_PATH_IMAGE036
包括:
S301,获取双馈电机的控制绕组的三相电压
Figure 557565DEST_PATH_IMAGE037
和功率绕组三相电压
Figure 940660DEST_PATH_IMAGE038
S302,将控制绕组的三相电压
Figure 190376DEST_PATH_IMAGE037
和功率绕组三相电压
Figure 706808DEST_PATH_IMAGE038
分别经过一个锁相 环PLL,得到控制绕着相位
Figure 16566DEST_PATH_IMAGE039
和功率绕组的相位
Figure 884028DEST_PATH_IMAGE040
S303,计算控制绕着相位
Figure 468593DEST_PATH_IMAGE039
和功率绕组的相位
Figure 308373DEST_PATH_IMAGE040
之间的相位差值,并将该相位差 值与0相减经过一个PI调节器得到输出电压
Figure 585771DEST_PATH_IMAGE036
所述实现对驱动电机的电压进行控制是指将相位控制器得到的输出电压
Figure 409370DEST_PATH_IMAGE036
与转 速控制器得到的输出电压
Figure 266468DEST_PATH_IMAGE030
两者求和后作为驱动电机的驱动控制电压信号,或者将相位 控制器得到的输出电压
Figure 757492DEST_PATH_IMAGE036
作为驱动电机的驱动控制电压信号。
可选地,步骤S102中通过驱动电机驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间 的功率传递时,包括通过功率控制器生成输出电压
Figure 940212DEST_PATH_IMAGE041
以实现对驱动电机的功率进行控制, 且功率控制器生成输出电压
Figure 985528DEST_PATH_IMAGE041
包括:
S401,获取双馈电机的控制绕组中的电流
Figure 177475DEST_PATH_IMAGE042
和电压
Figure 726268DEST_PATH_IMAGE037
,以及功率绕组中的电 流
Figure 611048DEST_PATH_IMAGE043
和电压
Figure 409239DEST_PATH_IMAGE038
S402,根据双馈电机的控制绕组中的电流
Figure 608140DEST_PATH_IMAGE042
和电压
Figure 808177DEST_PATH_IMAGE037
,以及功率绕组中的电 流
Figure 67120DEST_PATH_IMAGE043
和电压
Figure 367256DEST_PATH_IMAGE038
,分别计算双馈电机的控制绕组输入的有功功率
Figure 901006DEST_PATH_IMAGE044
和功率绕组输出的 有功功率
Figure 955549DEST_PATH_IMAGE045
S403,计算双馈电机的控制绕组输入的有功功率
Figure 385394DEST_PATH_IMAGE044
和功率绕组输出的有功功率
Figure 158177DEST_PATH_IMAGE045
之间的功率差值,并将该功率差值经过一个PI调节器得到输出电压
Figure 230039DEST_PATH_IMAGE041
所述实现对驱动电机的电压进行控制是指将功率控制器得到的输出电压
Figure 873510DEST_PATH_IMAGE041
、相 位控制器得到的输出电压
Figure 5414DEST_PATH_IMAGE036
、转速控制器得到输出电压
Figure 531073DEST_PATH_IMAGE030
三者求和后作为驱动电机的驱 动控制电压信号,或者将功率控制器得到的输出电压
Figure 141046DEST_PATH_IMAGE041
作为驱动电机的驱动控制电压信 号。
和现有技术相比,本发明主要具有下述优点:本发明的并网功率变换装置包括驱动电机和用于作为功率变换器的双馈电机,双馈电机的控制绕组用于与被并网的微电网相连,双馈电机的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器,双馈电机的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器,驱动电机与双馈电机的转子同轴连接以用于驱动双馈电机实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。本发明采用双馈电机作为功率变换器来实现微电网、电网之间的并网,可解决传统微电网的DC/AC变流器、变压器之间直接相连所存在的系统惯性及阻尼低的问题,能够实现有功功率传输以及减少谐波污染,且保留了双馈电机良好的电气隔离、提供惯量与阻尼特性的优点,能够起到隔离作用保护新能源电场不受电网故障的影响,提升了新能源并网的频率和电压稳定性,能够有效实现电网稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例一并网功率变换装置的结构示意图。
图2为本发明实施例一中被并网的微电网的拓扑结构示意图。
图3为本发明实施例一中无刷双馈电机的结构图。
图4为本发明实施例一中有刷双馈电机的结构图。
图5为本发明实施例一中双馈电机的等效电路图。
图6为本发明实施例一中双馈电机的等效电路变换图。
图7为本发明实施例一方法的基本流程示意图。
图8为本发明实施例一DC/AC变流器的控制原理图。
图9为本发明实施例一转速控制器的控制原理图
图10为本发明实施例一转速及相位控制器的控制原理图。
图11为本发明实施例一转速、相位及功率控制器的控制原理图。
图12为本发明实施例二DC/AC变流器的控制原理图。
具体实施方式
实施例一:
如图1所示,本实施例用于微电网的并网功率变换装置包括驱动电机1和用于作为功率变换器的双馈电机2,双馈电机2的控制绕组用于与被并网的微电网相连,双馈电机2的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器3,双馈电机2的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器4,驱动电机1与双馈电机2的转子同轴连接以用于驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
如图2所示,本实施例中被并网的微电网包括光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和分布式储能电站。毫无疑问,本实施例用于微电网的并网功率变换装置并不依赖于被并网的微电网的具体构成,因此可以包括上述光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和分布式储能电站中的部分,此外还可以根据需要扩展更多的新能源发电站,比如生物能发电站,甚至还可以扩展包括火电站在内的传统能源发电站。
本实施例中,双馈电机2可根据要采用无刷双馈电机或者有刷双馈电机,无刷双馈电机控制绕组和有刷双馈电机转子绕组为控制绕组,无刷双馈电机功率绕组和有刷双馈电机定子绕组为功率绕组。如图3所示,无刷双馈电机的控制绕组和功率绕组均安装在定子上,且转子采用径向叠片磁障式转子;如图4所示,有刷双馈电机的控制绕组安装在转子上、功率绕组安装在定子上,且转子采用绕线式结构。驱动双馈电机2的转子使得控制绕组接入电流和电网电流的差频转动,实现双馈电机的功率绕组输出与电网同频的三相交流电。双馈电机2对电压大小的调节由控制绕组与功率绕组的匝数比确定,一般合理设置所述控制绕组匝数与所述功率绕组匝数比,使其具备一定的升压功能。但其仍然不具有实时改变电压大小的功能,因此双馈电机2的功率绕组仍需通过变压器4并入电网。
本实施例中,DC/AC变流器(逆变器)3用于将微电网输出的直流电转换成三相交流电,DC/AC变流器3具体采用三相桥式变流器。
本实施例用于微电网的并网功率变换装置的工作原理如下:微电网经DC/AC变流器3输出的功率输入双馈电机2的控制绕组,通过调节驱动电机1施加在双馈电机2的转子上的转矩,实现双馈电机2的功率绕组经变压器4并网。通过控制DC/AC变流器3输出的三相交流电频率和电网电流频率有一个差频,驱动电机1施加相应的转矩,调节双馈电机2的转子以差频的对应的转速旋转,此时将有功率通过双馈电机2进行传输,且能为双馈电机2提供一定的惯性响应和阻尼特性。当电网发生频率波动时,通过调节双馈电机2的转子转速,平衡控制绕组和功率绕组电流的频差,减小电网频率波动对新能源发电微电网的影响。同理,当微电网的有功出力变化引起量DC/AC变流器3输出电流的频率波动时,也可通过实时调节转子转速,平衡控制绕组和功率绕组电流的频差,减小新能源发电微电网有功出力变化对电网的影响。
对于双馈电机2而言,采用有刷双馈功率电机或无刷双馈电机具有相同的数学模型,在dq坐标系下的数学模型表示如下:
Figure 435761DEST_PATH_IMAGE046
,(1)
Figure 472987DEST_PATH_IMAGE047
,(2)
Figure 485942DEST_PATH_IMAGE048
,(3)
Figure 899606DEST_PATH_IMAGE049
,(4)
Figure 48828DEST_PATH_IMAGE050
,(5)
Figure 991376DEST_PATH_IMAGE051
,(6)
Figure 228978DEST_PATH_IMAGE052
,(7)
Figure 180753DEST_PATH_IMAGE053
,(8)
Figure 450061DEST_PATH_IMAGE054
,(9)
其中,
Figure 297931DEST_PATH_IMAGE055
Figure 754320DEST_PATH_IMAGE056
分别为控制绕组的dq轴电压,
Figure 978628DEST_PATH_IMAGE057
Figure 102442DEST_PATH_IMAGE058
分别为功率绕组的dq轴电 压;
Figure 386793DEST_PATH_IMAGE004
Figure 330478DEST_PATH_IMAGE006
分别为控制绕组的dq轴电流,
Figure 889635DEST_PATH_IMAGE059
Figure 71218DEST_PATH_IMAGE060
分别为功率绕组的dq轴电流;
Figure 57629DEST_PATH_IMAGE061
Figure 957451DEST_PATH_IMAGE062
分 别为控制绕组的dq轴磁链,
Figure 320300DEST_PATH_IMAGE063
Figure 356389DEST_PATH_IMAGE064
分别为功率绕组的dq轴磁链;
Figure 779280DEST_PATH_IMAGE011
Figure 697557DEST_PATH_IMAGE065
分别为控制绕组 和功率绕组的电阻;
Figure 801780DEST_PATH_IMAGE015
Figure 754692DEST_PATH_IMAGE021
分别为控制绕组和功率绕组的电感;
Figure 85835DEST_PATH_IMAGE019
为励磁电感;
Figure 694671DEST_PATH_IMAGE066
为功率 绕组的电角速度,其等于电网侧的同步电角速度;
Figure 664901DEST_PATH_IMAGE067
为转子电角速度,
Figure 675582DEST_PATH_IMAGE068
为电磁转矩。
双馈电机2采用磁场定向控制时,式(9)可表示为:
Figure 174697DEST_PATH_IMAGE069
,(10)
双馈电机2的运动表达式如下:
Figure 67566DEST_PATH_IMAGE070
,(11)
Figure 513591DEST_PATH_IMAGE071
,(12)
其中,
Figure 175517DEST_PATH_IMAGE072
为无刷双馈电机的角度,
Figure 314374DEST_PATH_IMAGE073
为转子机械角速度,
Figure 694540DEST_PATH_IMAGE074
为转动惯量,
Figure 944255DEST_PATH_IMAGE075
为驱动电 机1提供的转矩。
对于双馈电机2而言,采用有刷双馈电机或无刷双馈电机具有相同的等效电路图, 以T型等效电路图为例,分析功率的传递。图5所示为本实施例中双馈电机2的等效电路图, 其中
Figure 726267DEST_PATH_IMAGE076
为功率绕组的电压,
Figure 567184DEST_PATH_IMAGE077
为功率绕组的电流,
Figure 637908DEST_PATH_IMAGE078
为功率绕组的电阻;
Figure 488052DEST_PATH_IMAGE079
为功率绕组的 电感;
Figure 327832DEST_PATH_IMAGE080
为功率绕组的阻抗;
Figure 339651DEST_PATH_IMAGE066
为功率绕组的电角速度;
Figure 428829DEST_PATH_IMAGE019
为励磁电感,励 磁电感
Figure 285927DEST_PATH_IMAGE019
的阻抗大小为
Figure 511372DEST_PATH_IMAGE081
Figure 162933DEST_PATH_IMAGE082
为控制绕组归算到功率绕组的电压,
Figure 4987DEST_PATH_IMAGE083
为控制 绕组归算到功率绕组的电流,
Figure 400196DEST_PATH_IMAGE084
为控制绕组归算到功率绕组的电感;
Figure 748657DEST_PATH_IMAGE085
为控制绕组归算 到功率绕组的电阻
Figure 836698DEST_PATH_IMAGE086
Figure 634890DEST_PATH_IMAGE032
Figure 364949DEST_PATH_IMAGE031
分别为控制绕组和功率绕组的频率;
Figure 33827DEST_PATH_IMAGE087
为功率绕组阻抗;
Figure 823929DEST_PATH_IMAGE088
为控制绕组归算到功率绕组的阻抗,则有:
Figure 312679DEST_PATH_IMAGE089
,(13)
Figure 112008DEST_PATH_IMAGE090
,(14)
等效电路的虚拟电压源和电阻分为下式的两部分:
Figure 166552DEST_PATH_IMAGE091
,(15)
Figure 330817DEST_PATH_IMAGE092
,(16)
上式中,
Figure 369180DEST_PATH_IMAGE093
Figure 909883DEST_PATH_IMAGE094
表示驱动电机1施加在双馈电机2的转子 上的机械功率。使用此方法,可将如图5所示等效电路重新绘制为图6中的等效电路。根据图 6,可分别导出功率绕组和控制绕组的有功功率和无功功率为:
Figure 818933DEST_PATH_IMAGE095
,(17)
Figure 419678DEST_PATH_IMAGE096
,(18)
Figure 679758DEST_PATH_IMAGE097
,(19)
Figure 820890DEST_PATH_IMAGE098
,(20)
Figure 318867DEST_PATH_IMAGE099
,(21)
其中,
Figure 356093DEST_PATH_IMAGE045
Figure 572311DEST_PATH_IMAGE100
分别为功率绕组的有功功率和无功功率,
Figure 251554DEST_PATH_IMAGE101
表示取实部,
Figure 126407DEST_PATH_IMAGE102
为是功率 绕组电流的共轭复数,
Figure 803376DEST_PATH_IMAGE103
为驱动电机1提供的有功功率;
Figure 38049DEST_PATH_IMAGE044
为控制绕组的有功功率,
Figure 462394DEST_PATH_IMAGE105
为控 制绕组归算到功率绕组的电流共轭复数,
Figure 575843DEST_PATH_IMAGE044
Figure 297812DEST_PATH_IMAGE106
分别为控制绕组的有功功率和无功功率,
Figure 53278DEST_PATH_IMAGE107
表示取虚部。因此,驱动电机1在稳态情况下的转矩
Figure 380354DEST_PATH_IMAGE075
为:
Figure 461443DEST_PATH_IMAGE108
,(22)
上式中,
Figure 608390DEST_PATH_IMAGE035
为双馈电机转子的极对数。
由此可见,本实施例用于微电网的并网功率变换装置能够在微电网、电网之间实现功率传递,该功率包括有功功率和无功功率,而且该功率传递为双向传递,既可以将微电网的电能输出到电网,又可以将电网的电能输出到微电网(微电网中的抽水蓄能电站和分布式储能电站可实现能量吸收),从而不仅可以实现微电网的电能输出,还可以起到调节电网的功能,例如实现削峰填谷、减少电压波动、提升电网质量等。
如图7所示,本实施例用于微电网的并网功率变换装置的应用方法包括:
S101,将微电网通过所述用于微电网的并网功率变换装置与电网相连;
S102,通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
参见式(9)和式(10)可知,通过DC/AC变流器3控制双馈电机2的控制绕组的q轴电 流能控制电磁转矩。为了在控制电磁转矩的同时达到稳定直流母线电压的目的,如图8所 示,本实施例中步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间 的功率传递时,对DC/AC变流器3的控制包括:计算DC/AC变流器3的直流侧电压
Figure 433127DEST_PATH_IMAGE001
和预设的 直流侧参考电压
Figure 614709DEST_PATH_IMAGE002
的电压差值,并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流
Figure 601120DEST_PATH_IMAGE003
,计算DC/AC变流器3交流侧的d轴电流
Figure 500943DEST_PATH_IMAGE004
、d轴参考电流
Figure 863791DEST_PATH_IMAGE003
的电流差值,并将该电流差值经 过一个PI控制器得到d轴控制电压
Figure 431039DEST_PATH_IMAGE005
;计算DC/AC变流器3交流侧的q轴电流
Figure 57192DEST_PATH_IMAGE006
、预设的q轴 参考电流
Figure 975469DEST_PATH_IMAGE007
的电流差值,并将该电流差值经过一个PI控制器得到q轴控制电压
Figure 345271DEST_PATH_IMAGE008
;根据d 轴控制电压
Figure 32604DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 829659DEST_PATH_IMAGE008
生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器3中各个桥臂的 开关状态。根据上述步骤,本实施例中通过采用双闭环控制,外环采用电压环获得控制绕组 的q轴电流参考值,内环采用电流环,获得控制绕组的dq轴电压参考值,从而达到在控制电 磁转矩的同时达到稳定直流母线电压的目的。
本实施例步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时,包括控制驱动电机1的转子转速以平衡微电网、电网之间的频率差,使得当功率传递方向为微电网向电网传递时,微电网经DC/AC变流器3输出电压的频率、双馈电机2的以目标转子转速转动的频率之差等于电网的频率;当功率传递方向为电网向微电网传递时,微电网经DC/AC变流器3输出电压的频率、双馈电机2的以目标转子转速转动的频率之和等于电网的频率以实现微电网、电网并网,而该频率差则是控制功率传递方向的因素。
本实施例中,控制驱动电机1的转子转速是指控制驱动电机1的转子转速为目标转子转速;无刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为:
Figure 235232DEST_PATH_IMAGE109
,(23)
上式中,
Figure 942813DEST_PATH_IMAGE023
为目标转子转速,
Figure 953494DEST_PATH_IMAGE024
为微电网经DC/AC变流器3输出的频率、电网侧的频 率之间的频率差,
Figure 452609DEST_PATH_IMAGE025
为控制绕组的极对数,
Figure 548741DEST_PATH_IMAGE026
为功率绕组的极对数,
Figure 57082DEST_PATH_IMAGE027
为无刷电 机转子的极对数;有刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为:
Figure 719008DEST_PATH_IMAGE110
,(24)
上式中,
Figure 857865DEST_PATH_IMAGE023
为目标转子转速,
Figure 972452DEST_PATH_IMAGE024
为微电网经DC/AC变流器3输出的频率、电网侧的频 率之间的频率差,
Figure 487747DEST_PATH_IMAGE029
为有刷双馈电机的极对数。通过控制驱动电机1的转子转速为上述 目标转子转速,可平衡两侧电网(微电网和电网)的频率差以实现微电网、电网并网。
如图9所示,步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网 之间的功率传递时,包括通过转速控制器生成输出电压
Figure 4179DEST_PATH_IMAGE030
以实现对驱动电机1的电压进行 控制,且转速控制器生成输出电压
Figure 313937DEST_PATH_IMAGE030
包括:
S201,获取微电网经DC/AC变流器(3)输出的频率
Figure 915820DEST_PATH_IMAGE031
、电网侧的频率
Figure 969227DEST_PATH_IMAGE032
S202,根据下式计算转速给定值
Figure 340165DEST_PATH_IMAGE033
Figure 820825DEST_PATH_IMAGE034
,(25)
上式中,
Figure 175583DEST_PATH_IMAGE035
为双馈电机2的极对数;
S203,计算双馈电机2的转子转速
Figure 563839DEST_PATH_IMAGE023
、转速给定值
Figure 523705DEST_PATH_IMAGE033
之间的转速差值,并将该转 速差值经过一个PI控制器得到输出电压
Figure 706424DEST_PATH_IMAGE030
以作为驱动电机1的驱动控制电压信号。当电网 侧频率波动,或者微电网侧有功出力变化引起DC/AC变流器3输出电流频率发生变化时,可 通过转速控制器输出的输出电压
Figure 486162DEST_PATH_IMAGE030
来调节驱动电机1的转子转速,进而实时调节双馈电机 2的转子转速,平衡双馈电机2的控制绕组和功率绕组电流的频差,具有隔离作用,进而保护 微电网不受电网故障的影响,同时也能保证微电网的有功出力变化不会引起电网侧的频率 波动,提高了整个新能源并网的频率和电压稳定性。
如图10所示,步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电 网之间的功率传递时,包括通过相位控制器生成输出电压
Figure 678108DEST_PATH_IMAGE036
以实现对驱动电机1的电压进 行控制,且相位控制器生成输出电压
Figure 492481DEST_PATH_IMAGE036
包括:
S301,获取双馈电机2的控制绕组的三相电压
Figure 849031DEST_PATH_IMAGE037
和功率绕组三相电压
Figure 116065DEST_PATH_IMAGE038
S302,将控制绕组的三相电压
Figure 111702DEST_PATH_IMAGE037
和功率绕组三相电压
Figure 780581DEST_PATH_IMAGE038
分别经过一个锁相 环PLL,得到控制绕着相位
Figure 305103DEST_PATH_IMAGE039
和功率绕组的相位
Figure 856170DEST_PATH_IMAGE040
S303,计算控制绕着相位
Figure 858762DEST_PATH_IMAGE039
和功率绕组的相位
Figure 913305DEST_PATH_IMAGE040
之间的相位差值,并将该相位差 值与0相减经过一个PI调节器得到输出电压
Figure 77570DEST_PATH_IMAGE036
实现对驱动电机1的电压进行控制是指将相位控制器得到的输出电压
Figure 115933DEST_PATH_IMAGE036
与转速 控制器得到的输出电压
Figure 656636DEST_PATH_IMAGE030
两者求和后作为驱动电机1的驱动控制电压信号,通过输出电压
Figure 831266DEST_PATH_IMAGE036
可控制相位差为零满足微电网、电网的并网相位条件,缓冲并网时对电压的冲击。
需要说明的是,图10所示将该输出电压
Figure 432011DEST_PATH_IMAGE036
与转速控制器得到输出电压
Figure 426512DEST_PATH_IMAGE030
求和后 以作为驱动电机1的驱动控制电压信号,可同时起到转速控制器、相位控制器的双重效果。 此外,也可以直接将相位控制器得到的输出电压
Figure 770906DEST_PATH_IMAGE036
作为驱动电机1的驱动控制电压信号, 仅达到相位控制器的效果。
如图11所示,步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电 网之间的功率传递时,包括通过功率控制器生成输出电压
Figure 800042DEST_PATH_IMAGE041
以实现对驱动电机1的功率进 行控制,且功率控制器生成输出电压
Figure 571689DEST_PATH_IMAGE041
包括:
S401,获取双馈电机2的控制绕组中的电流
Figure 53485DEST_PATH_IMAGE042
和电压
Figure 935991DEST_PATH_IMAGE037
,以及功率绕组中的 电流
Figure 85212DEST_PATH_IMAGE043
和电压
Figure 558919DEST_PATH_IMAGE038
S402,根据双馈电机2的控制绕组中的电流
Figure 996854DEST_PATH_IMAGE042
和电压
Figure 479788DEST_PATH_IMAGE037
,以及功率绕组中的 电流
Figure 686778DEST_PATH_IMAGE043
和电压
Figure 599895DEST_PATH_IMAGE038
,分别计算双馈电机2的控制绕组输入的有功功率
Figure 525126DEST_PATH_IMAGE044
和功率绕组输出 的有功功率
Figure 77330DEST_PATH_IMAGE045
S403,计算双馈电机2的控制绕组输入的有功功率
Figure 404406DEST_PATH_IMAGE044
和功率绕组输出的有功功率
Figure 954336DEST_PATH_IMAGE045
之间的功率差值,并将该功率差值经过一个PI调节器得到输出电压
Figure 366863DEST_PATH_IMAGE041
所述实现对驱动电机1的电压进行控制是指将功率控制器得到的输出电压
Figure 191599DEST_PATH_IMAGE041
、相 位控制器得到的输出电压
Figure 373182DEST_PATH_IMAGE036
、转速控制器得到输出电压
Figure 359592DEST_PATH_IMAGE030
三者求和后作为驱动电机1的 驱动控制电压信号。当控制绕组输入的功率发生改变时,通过功率控制器可使功率绕组输 出的功率实时跟踪,从而以实现潮流控制。需要说明的是,图11所示将该输出电压
Figure 993836DEST_PATH_IMAGE036
与转 速控制器得到输出电压
Figure 356684DEST_PATH_IMAGE030
求和后以作为驱动电机1的驱动控制电压信号,可同时起到转速 控制器、相位控制器、功率控制器的三重效果。此外,也可以直接将功率控制器得到的输出 电压
Figure 189511DEST_PATH_IMAGE041
作为驱动电机1的驱动控制电压信号,仅达到功率控制器的效果。
实施例二:
本实施例与实施例一基本相同,其主要区别为:步骤S102中通过驱动电机1驱动双馈电机2实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时,对DC/AC变流器3的控制策略不同。如图12所示,考虑电流环带宽的影响,导致系统的收敛速度慢等问题,本实施例通过采用预测控制器(电压预测模型)代替PI电流环,提高系统的动态响应性能。
根据式(1)~式(8),控制绕组的电压可以表示为:
Figure 815664DEST_PATH_IMAGE111
,(26)
Figure 733942DEST_PATH_IMAGE112
,(27)
本实施例中,将上述控制绕组的电压的函数表达式进行欧拉方程离散化后作为预测控制器(电压预测模型)以代替PI电流环、提高系统的动态响应性能。将上述控制绕组的电压的函数表达式进行欧拉方程离散化可得到:
Figure 103743DEST_PATH_IMAGE113
,(28)
Figure 56656DEST_PATH_IMAGE115
上式中,
Figure 853711DEST_PATH_IMAGE011
为双馈电机2的控制绕组的电阻,
Figure 993705DEST_PATH_IMAGE012
Figure 901618DEST_PATH_IMAGE013
分别为DC/AC变流器3交 流侧在当前时刻k的d、q轴电流,中间变量
Figure 709037DEST_PATH_IMAGE014
Figure 676993DEST_PATH_IMAGE015
为双馈电机2的控制绕组的 电感,
Figure 318932DEST_PATH_IMAGE016
为采样周期,
Figure 30536DEST_PATH_IMAGE017
为双馈电机2的功率绕组当前时刻k的电角速度,
Figure 692461DEST_PATH_IMAGE018
为双馈 电机2当前时刻k的转子电角速度,
Figure 831319DEST_PATH_IMAGE019
为双馈电机2的励磁电感,
Figure 945905DEST_PATH_IMAGE020
为功率绕组q轴当前 时刻的值,
Figure 257938DEST_PATH_IMAGE021
为双馈电机2的功率绕组的电感。具体如图12所示,本实施例中针对DC/AC变流 器3的控制包括:计算DC/AC变流器3的直流侧电压
Figure 977632DEST_PATH_IMAGE001
和预设的直流侧参考电压
Figure 818549DEST_PATH_IMAGE002
的电压 差值,并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流
Figure 889273DEST_PATH_IMAGE003
,然后通过前述电压预测模 型生成d轴控制电压
Figure 739418DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 579198DEST_PATH_IMAGE008
,并根据d轴控制电压
Figure 856595DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 414616DEST_PATH_IMAGE008
生 成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器3中各个开关管的运行状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于微电网的并网功率变换装置,其特征在于,包括驱动电机(1)和用于作为功率变换器的双馈电机(2),所述双馈电机(2)的控制绕组用于与被并网的微电网相连,所述双馈电机(2)的控制绕组的输入端串联连接有用于将被并网的微电网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器(3),所述双馈电机(2)的功率绕组的输出端串联连接有用于与电网侧相连的变压器(4),所述驱动电机(1)与双馈电机(2)的转子同轴连接以用于驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
2.根据权利要求1所述的用于微电网的并网功率变换装置,其特征在于,所述被并网的微电网包括光伏组件、风电机组、水电机组、抽水蓄能电站和储能电站中的部分或全部。
3.一种权利要求1或2所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,包括:S101,将微电网通过所述用于微电网的并网功率变换装置与电网相连;S102,通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递。
4.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,步 骤S102中通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递 时,对DC/AC变流器(3)的控制包括:计算DC/AC变流器(3)的直流侧电压
Figure 647335DEST_PATH_IMAGE001
和预设的直流侧 参考电压
Figure 236580DEST_PATH_IMAGE002
的电压差值,并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流
Figure 16317DEST_PATH_IMAGE003
,计算 DC/AC变流器(3)交流侧的d轴电流
Figure 880368DEST_PATH_IMAGE004
、d轴参考电流
Figure 429161DEST_PATH_IMAGE003
的电流差值,并将该电流差值经过 一个PI控制器得到d轴控制电压
Figure 720465DEST_PATH_IMAGE005
;计算DC/AC变流器(3)交流侧的q轴电流
Figure 656672DEST_PATH_IMAGE006
、预设的q轴 参考电流
Figure 855572DEST_PATH_IMAGE007
的电流差值,并将该电流差值经过一个PI控制器得到q轴控制电压
Figure 993293DEST_PATH_IMAGE008
;根据d 轴控制电压
Figure 721077DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 475406DEST_PATH_IMAGE008
生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器(3)中各个桥臂 的开关状态。
5.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,步 骤S102中通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递 时,对DC/AC变流器(3)的控制包括:计算DC/AC变流器(3)的直流侧电压
Figure 681260DEST_PATH_IMAGE001
和预设的直流侧 参考电压
Figure 204645DEST_PATH_IMAGE002
的电压差值,并将该电压差值经过一个PI控制器得到d轴参考电流
Figure 306593DEST_PATH_IMAGE003
,然后 通过预设的电压预测模型生成d轴控制电压
Figure 548219DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 557763DEST_PATH_IMAGE008
,并根据d轴控制电压
Figure 670076DEST_PATH_IMAGE005
、q轴控制电压
Figure 5242DEST_PATH_IMAGE008
生成SVPWM控制信号以控制DC/AC变流器(3)中各个开关管的运行状 态,且该电压预测模型的函数表达式为:
Figure 406267DEST_PATH_IMAGE009
Figure 485082DEST_PATH_IMAGE010
上式中,
Figure 451901DEST_PATH_IMAGE011
为双馈电机(2)的控制绕组的电阻,
Figure 957969DEST_PATH_IMAGE012
Figure 908607DEST_PATH_IMAGE013
分别为DC/AC变流器(3)交 流侧在当前时刻k的d、q轴电流,中间变量
Figure 259954DEST_PATH_IMAGE014
Figure 612438DEST_PATH_IMAGE015
为双馈电机(2)的控制绕组 的电感,
Figure 227090DEST_PATH_IMAGE016
为采样周期,
Figure 133866DEST_PATH_IMAGE017
为双馈电机(2)的功率绕组当前时刻k的电角速度,
Figure 554483DEST_PATH_IMAGE018
为 双馈电机(2)当前时刻k的转子电角速度,
Figure 764403DEST_PATH_IMAGE019
为双馈电机(2)的励磁电感,
Figure 877853DEST_PATH_IMAGE020
为功率绕组 当前时刻的q轴电压,
Figure 475187DEST_PATH_IMAGE021
为双馈电机(2)的功率绕组的电感。
6.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,步骤S102中通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递时,包括控制驱动电机(1)的转子转速以平衡微电网、电网之间的频率差,使得当功率传递方向为微电网向电网传递时,微电网经DC/AC变流器(3)输出电压的频率、双馈电机(2)的以目标转子转速转动的频率之差等于电网的频率;当功率传递方向为电网向微电网传递时,微电网经DC/AC变流器(3)输出电压的频率、双馈电机(2)的以目标转子转速转动的频率之和等于电网的频率。
7.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,所述控制驱动电机(1)的转子转速是指控制驱动电机(1)的转子转速为目标转子转速;所述双馈电机(2)为无刷双馈电机或者有刷双馈电机,且所述无刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为:
Figure 168337DEST_PATH_IMAGE022
上式中,
Figure 229834DEST_PATH_IMAGE023
为目标转子转速,
Figure 248605DEST_PATH_IMAGE024
为微电网经DC/AC变流器(3)输出的频率、电网侧的频率 之间的频率差,
Figure 661132DEST_PATH_IMAGE025
为控制绕组的极对数,
Figure 157973DEST_PATH_IMAGE026
为功率绕组的极对数,
Figure 11659DEST_PATH_IMAGE027
为无刷电机 转子的极对数;所述有刷双馈电机对应的目标转子转速的计算函数表达式为:
Figure 201332DEST_PATH_IMAGE028
上式中,
Figure 569996DEST_PATH_IMAGE023
为目标转子转速,
Figure 136107DEST_PATH_IMAGE024
为微电网经DC/AC变流器(3)输出的频率、电网侧的频率 之间的频率差,
Figure 172196DEST_PATH_IMAGE029
为有刷双馈电机的极对数。
8.根据权利要求3所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,步 骤S102中通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递 时,包括通过转速控制器生成输出电压
Figure 204874DEST_PATH_IMAGE030
以实现对驱动电机(1)的电压进行控制,且转速 控制器生成输出电压
Figure 591993DEST_PATH_IMAGE030
包括:
S201,获取微电网经DC/AC变流器(3)输出的频率
Figure 430636DEST_PATH_IMAGE031
、电网侧的频率
Figure 55653DEST_PATH_IMAGE032
S202,根据下式计算转速给定值
Figure 852707DEST_PATH_IMAGE033
Figure 930385DEST_PATH_IMAGE034
上式中,
Figure 103877DEST_PATH_IMAGE035
为双馈电机(2)的极对数;
S203,计算双馈电机(2)的转子转速
Figure 783733DEST_PATH_IMAGE023
、转速给定值
Figure 220530DEST_PATH_IMAGE033
之间的转速差值,并将该转速差 值经过一个PI控制器得到输出电压
Figure 316662DEST_PATH_IMAGE030
9.根据权利要求8所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于,步 骤S102中通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递 时,包括通过相位控制器生成输出电压
Figure 762687DEST_PATH_IMAGE036
以实现对驱动电机(1)的电压进行控制,且相位 控制器生成输出电压
Figure 627875DEST_PATH_IMAGE036
包括:
S301,获取双馈电机(2)的控制绕组的三相电压
Figure 235574DEST_PATH_IMAGE037
和功率绕组三相电压
Figure 491106DEST_PATH_IMAGE038
S302,将控制绕组的三相电压
Figure 740821DEST_PATH_IMAGE037
和功率绕组三相电压
Figure 460516DEST_PATH_IMAGE038
分别经过一个锁相环 PLL,得到控制绕着相位
Figure 770274DEST_PATH_IMAGE039
和功率绕组的相位
Figure 309840DEST_PATH_IMAGE040
S303,计算控制绕着相位
Figure 35351DEST_PATH_IMAGE039
和功率绕组的相位
Figure 875131DEST_PATH_IMAGE040
之间的相位差值,并将该相位差值与0 相减经过一个PI调节器得到输出电压
Figure 824632DEST_PATH_IMAGE036
所述实现对驱动电机(1)的电压进行控制是指将相位控制器得到的输出电压
Figure 851494DEST_PATH_IMAGE036
与转 速控制器得到的输出电压
Figure 708591DEST_PATH_IMAGE030
两者求和后作为驱动电机(1)的驱动控制电压信号,或者将相 位控制器得到的输出电压
Figure 871720DEST_PATH_IMAGE036
作为驱动电机(1)的驱动控制电压信号。
10.根据权利要求9所述的用于微电网的并网功率变换装置的应用方法,其特征在于, 步骤S102中通过驱动电机(1)驱动双馈电机(2)实现被并网的微电网、电网之间的功率传递 时,包括通过功率控制器生成输出电压
Figure 523281DEST_PATH_IMAGE041
以实现对驱动电机(1)的功率进行控制,且功率 控制器生成输出电压
Figure 240701DEST_PATH_IMAGE041
包括:
S401,获取双馈电机(2)的控制绕组中的电流
Figure 104752DEST_PATH_IMAGE042
和电压
Figure 653545DEST_PATH_IMAGE037
,以及功率绕组中的电 流
Figure 467218DEST_PATH_IMAGE043
和电压
Figure 734252DEST_PATH_IMAGE038
S402,根据双馈电机(2)的控制绕组中的电流
Figure 605256DEST_PATH_IMAGE042
和电压
Figure 8555DEST_PATH_IMAGE037
,以及功率绕组中的电 流
Figure 736340DEST_PATH_IMAGE043
和电压
Figure 225090DEST_PATH_IMAGE038
,分别计算双馈电机(2)的控制绕组输入的有功功率
Figure 962102DEST_PATH_IMAGE044
和功率绕组输出 的有功功率
Figure 954328DEST_PATH_IMAGE045
S403,计算双馈电机(2)的控制绕组输入的有功功率
Figure 384173DEST_PATH_IMAGE044
和功率绕组输出的有功功率
Figure 32323DEST_PATH_IMAGE045
之 间的功率差值,并将该功率差值经过一个PI调节器得到输出电压
Figure 573026DEST_PATH_IMAGE041
所述实现对驱动电机(1)的电压进行控制是指将功率控制器得到的输出电压
Figure 685338DEST_PATH_IMAGE041
、相位 控制器得到的输出电压
Figure 754925DEST_PATH_IMAGE036
、转速控制器得到输出电压
Figure 483847DEST_PATH_IMAGE030
三者求和后作为驱动电机(1)的 驱动控制电压信号,或者将功率控制器得到的输出电压
Figure 234765DEST_PATH_IMAGE041
作为驱动电机(1)的驱动控制电 压信号。
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