FR3117707A1 - METHOD FOR CONTROLLING BIDIRECTIONAL ALTERNATING CURRENT / DIRECT CURRENT CONVERTERS FOR THE SYNCHRONIZATION OF ALTERNATING CURRENT ELECTRICAL SYSTEMS CONNECTED TOGETHER BY A DIRECT CURRENT LINK - Google Patents
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Abstract
Procédé de pilotage de convertisseurs bidirectionnels courant alternatif/courant continu (2a, 2b), de sous-stations reliant un premier système à courant alternatif pourvu d’au moins un premier générateur (10a) de courant alternatif et/ou au moins une première charge (11a), à au moins un second système à courant alternatif, comportant au moins un second générateur (10b) de courant alternatif et/ou au moins une seconde charge (11b), au travers d’une ligne en courant continu (1), caractérisé en ce que la commande de chacun desdits convertisseurs (2a, 2b) est réalisée en mode source de tension (en anglais grid forming), avec un algorithme de commande vectorielle de l’amplitude et de l’angle de la tension alternative du convertisseur, côté système en courant alternatif ; et comporte une fonction F de pilotage desdits convertisseurs, du type partage de la charge en puissance active entre chaque sous-station de la ligne en courant continu et son système à courant alternatif, ladite fonction fournissant une fréquence de ladite tension alternative exploitée par ladite commande vectorielle de chacun desdits convertisseurs pour le calcul dudit angle de ladite tension alternative. Figure de l’abrégé : Figure 3Method for controlling bidirectional alternating current/direct current converters (2a, 2b), substations connecting a first alternating current system provided with at least one first alternating current generator (10a) and/or at least one first load (11a), to at least one second alternating current system, comprising at least one second alternating current generator (10b) and/or at least one second load (11b), through a direct current line (1) , characterized in that the control of each of said converters (2a, 2b) is carried out in voltage source mode (in English grid forming), with a vector control algorithm of the amplitude and the angle of the alternating voltage of the converter, AC system side; and comprises a function F for controlling said converters, of the active power load sharing type between each substation of the direct current line and its alternating current system, said function providing a frequency of said alternating voltage used by said command vector of each of said converters for the calculation of said angle of said alternating voltage. Abstract Figure: Figure 3
Description
La présente invention relève du domaine des systèmes électriques et de la stabilisation et de la tenue en fréquence des systèmes électriques à courant alternatifs (AC) interconnectés par des lignes à courant continu. Ces systèmes comportent, pour leur raccordement avec les lignes à courant continu, des stations de conversion courant alternatif/courant continu (AC/DC) bidirectionnelles de type convertisseur source de tension (VSC pour Voltage Source Converter en anglais) côté système à courant alternatif.The present invention relates to the field of electrical systems and the stabilization and frequency behavior of alternating current (AC) electrical systems interconnected by direct current lines. These systems comprise, for their connection with the direct current lines, bidirectional alternating current/direct current (AC/DC) conversion stations of the voltage source converter (VSC) type on the alternating current system side.
Dans le cadre des réseaux électriques, les lignes à courant continu sont principalement des lignes haute tension courant continu (HVDC pour high voltage direct current en anglais).In the context of electrical networks, direct current lines are mainly high voltage direct current lines (HVDC for high voltage direct current in English).
L’invention concerne plus particulièrement les systèmes électriques à courant alternatif (AC pour « alternating current » en anglais) interconnectés par des liaisons de type haute tension courant continu (HVDC pour « high voltage direct current » en anglais) et comportant des stations de conversion aternatif/continu AC/DC de type convertisseur source de tension (VSC Voltage Source Converter en anglais).The invention relates more particularly to alternating current (AC for "alternating current" in English) electrical systems interconnected by links of the high voltage direct current (HVDC for "high voltage direct current" in English) type and comprising converter stations alternative/direct AC/DC type voltage source converter (VSC Voltage Source Converter in English).
Les liaisons HVDC VSC sont des lignes d’une tension supérieure à 1500 volts en courant continu. De telles lignes sont historiquement pilotées en mode source de courant « grid feeding / grid following en anglais », c’est-à-dire que les stations de conversion sont pilotées côté courant alternatif avec une boucle de régulation interne de courant et des boucles de régulation externes de puissance active et réactive ainsi qu’une boucle à verrouillage de phase (PLL pour « phase lock loop » en anglais). Ces stations de conversion nécessitent la présence de groupes de production régulant l’amplitude et la fréquence de la tension dans chaque système courant alternatif afin qu’elles puissent s’y synchroniser.HVDC VSC links are lines with a voltage greater than 1500 volts direct current. Such lines are historically controlled in "grid feeding / grid following" current source mode, i.e. the converter stations are controlled on the alternating current side with an internal current regulation loop and external active and reactive power regulation as well as a phase lock loop (PLL). These converter stations require the presence of production groups regulating the amplitude and frequency of the voltage in each alternating current system so that they can synchronize with it.
Si l’on prend l’exemple d’une liaison HVDC simple selon la
Les liaisons HVDC en mode grid feeding / grid following peuvent offrir des services système (fonctions contractualisées comme le réglage de la fréquence et le réglage de la tension des systèmes en courant alternatif) similaires aux systèmes à batteries de stockage d’énergie (BESS pour Battery Energy Storage System en anglais) pilotés en mode source de courant tels que le réglage rapide de fréquence au travers de la modulation de leur injection de puissance active ou le réglage de tension au travers de la modulation de leur injection de puissance réactive.HVDC links in grid feeding / grid following mode can offer system services (contracted functions such as frequency adjustment and voltage adjustment of alternating current systems) similar to energy storage battery systems (BESS for Battery Energy Storage System) driven in current source mode such as fast frequency adjustment through the modulation of their active power injection or voltage adjustment through the modulation of their reactive power injection.
Néanmoins, comme décrit dans le document Jenny Z. Zhou, Hui Ding, Shengtao Fan, Yi Zhang and Aniruddha M. Gole, “Impact of Short-Circuit Ratio and Phase-Locked-Loop Parameters on the Small-Signal Behavior of a VSC-HVDC Converter”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 29, n° 5, 2014, les liaisons HDVC nécessitent un rapport de court-circuit (SCR pour short-circuit ratio) minimum (ce rapport correspond à une quantification de la proximité des générateurs raccordés et la difficulté de synchronisation) dans chaque système en courant alternatif pour pouvoir fonctionner de façon stable. De même, les services système liés au réglage de fréquence que peut faire transiter une telle liaison n’offrent pas le même niveau de performance et donc la même sureté de fonctionnement qu’une interconnexion en courant alternatif connectant directement deux systèmes électriques courant alternatif (systèmes AC). Il n’est par exemple pas possible de bénéficier d’une réponse inertielle (ou inertie), qui est instantanée, ou d’une libération directe de la réserve du système situé d’un premier côté de la liaison HVDC pour le réglage primaire de fréquence du système AC du second côté de la liaison HVDC.Nevertheless, as described in Jenny Z. Zhou, Hui Ding, Shengtao Fan, Yi Zhang and Aniruddha M. Gole, “Impact of Short-Circuit Ratio and Phase-Locked-Loop Parameters on the Small-Signal Behavior of a VSC- HVDC Converter”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 29, No. 5, 2014, HDVC links require a minimum short-circuit ratio (SCR) (this ratio corresponds to a quantification of the proximity of the connected generators and the difficulty of synchronization) in each system in alternating current to operate stably. Similarly, the system services related to frequency adjustment that such a link can convey do not offer the same level of performance and therefore the same operational safety as an alternating current interconnection directly connecting two alternating current electrical systems (systems AC). It is for example not possible to benefit from an inertial response (or inertia), which is instantaneous, or from a direct release of the reserve of the system located on a first side of the HVDC link for the primary adjustment of frequency of the AC system on the second side of the HVDC link.
Le document J. Rocabert, A. Luna, F. Blaabjerg and P. Rodriguez, “Control of power converters in AC microgrids”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, n°11, 2012 décrit pour sa part un fonctionnement des convertisseurs statiques dont font partie les stations de conversion HVDC pilotées en mode source de tension « grid forming en anglais ». Les principaux avantages du mode grid forming pour une station de conversion HVDC sont de supprimer la limite SCR présente en mode grid feeding ainsi que de permettre d’injecter ou absorber instantanément de la puissance active comme le font les systèmes de stockage par batteries en anglais « Battery Energy Storage System » (BESS) en mode grid forming.The document J. Rocabert, A. Luna, F. Blaabjerg and P. Rodriguez, “Control of power converters in AC microgrids”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, No. 11, 2012 describes for its part an operation of the static converters of which the HVDC converter stations controlled in “grid forming” voltage source mode form part. The main advantages of grid forming mode for an HVDC converter station are to remove the SCR limit present in grid feeding mode as well as to allow instantaneous injection or absorption of active power as battery storage systems do in English. Battery Energy Storage System” (BESS) in grid forming mode.
Différentes stratégies d’algorithmes de partage de la charge des stations de conversion HVDC sont proposées dans les documents Ebrahim Rokrok, Taoufik Qoria, Antoine Bruyere, Bruno Francois, Xavier Guillaud, “Classification and Dynamic Assessment of Droop-Based Grid-Forming Control Schemes: Application in HVDC Systems”, 21st Power Systems Computation Conference, 2020 et Bin Peng, Xin Yin, John Shen, Jun Wang, “Application of Virtual Synchronization Control Strategy in MMC based VSC-HVDC System”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 29, n° 5, 2014 sans pour autant prendre en compte le fonctionnement complet des liaisons HVDC.Different HVDC converter station load sharing algorithm strategies are proposed in the papers Ebrahim Rokrok, Taoufik Qoria, Antoine Bruyere, Bruno Francois, Xavier Guillaud, “Classification and Dynamic Assessment of Droop-Based Grid-Forming Control Schemes: Application in HVDC Systems”, 21st Power Systems Computation Conference, 2020 and Bin Peng, Xin Yin, John Shen, Jun Wang, “Application of Virtual Synchronization Control Strategy in MMC based VSC-HVDC System”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 29, n° 5, 2014 without however taking into account the complete operation of the HVDC links.
Le document Muhammad Raza, Mònica Aragüés Peñalba, Oriol Gomis-Bellmunt, “Short circuit analysis of an offshore AC network having multiple grid”, Elsevier, Electrical Power and Energy Systems 102, 2018 quant à lui considère bien les liaisons HVDC dans leur ensemble mais prévoit seulement le pilotage en mode grid forming de la station de conversion de l’un des systèmes AC qu’elles interconnectent tandis que la station de conversion du second système AC interconnecté ou les stations de conversion des autres systèmes AC interconnectés sont pilotées en mode grid feeding.The document Muhammad Raza, Mònica Aragüés Peñalba, Oriol Gomis-Bellmunt, “Short circuit analysis of an offshore AC network having multiple grid”, Elsevier, Electrical Power and Energy Systems 102, 2018 does indeed consider HVDC connections as a whole but only provides for the control in grid forming mode of the converter station of one of the AC systems that they interconnect while the converter station of the second interconnected AC system or the converter stations of the other interconnected AC systems are controlled in grid mode feeding.
Ces documents s’appuient sur un fonctionnement classique d’une liaison HVDC dans lequel une des deux stations de conversion pilote le flux de puissance active dans la liaison tandis que la seconde station de conversion équilibre la tension HVDC afin de stabiliser le flux de puissance active dans la liaison.These documents are based on a classic operation of an HVDC link in which one of the two converter stations controls the flow of active power in the link while the second converter station balances the HVDC voltage in order to stabilize the flow of active power. in the link.
En conclusion il n’est pas prévu dans les systèmes actuels à liaison HDVC VSC de rendre synchrones les systèmes qu’elles interconnectent ce qui ne permet pas de faire bénéficier chaque réseau courant alternatif des capacités en inertie et en régulation de fréquence de l’autre ou des autres réseaux courant alternatif.In conclusion, it is not planned in current systems with HDVC VSC link to make the systems they interconnect synchronous, which does not allow each alternating current network to benefit from the inertia and frequency regulation capacities of the other. or other alternating current networks.
RésuméSummary
Au vu de ce qui précède, la présente invention porte en particulier sur un procédé de pilotage décentralisé des stations de conversion permettant de rendre synchrones les différents systèmes électriques à courant alternatif interconnectés par des liaisons à courant continu comme des liaisons HVDC VSC afin d’améliorer la stabilité et tenue en fréquence desdits systèmes électriques à courant alternatif.In view of the foregoing, the present invention relates in particular to a process for decentralized control of converter stations making it possible to make synchronous the various alternating current electrical systems interconnected by direct current links such as HVDC VSC links in order to improve the stability and frequency response of said alternating current electrical systems.
Dans le contexte de la présente invention, la notion de synchronisme entre les systèmes à courant alternatif est définie par la capacité de chaque système courant alternatif à :
- Participer à la correction des déséquilibres production/consommation des autres systèmes à courant alternatif sans retard lié aux temps de réponse des boucles de régulation et aux temps d’acquisition des différentes mesures.
- Stabiliser ses propres déséquilibres production/consommation et donc sa fréquence électrique en utilisant de façon indistincte sa propre réserve primaire pour le réglage de sa fréquence ainsi que les réserves primaires des autres systèmes électriques courant alternatif.In the context of the present invention, the notion of synchronism between alternating current systems is defined by the capacity of each alternating current system to:
- Participate in the correction of production/consumption imbalances of other alternating current systems without delay linked to the response times of the regulation loops and to the acquisition times of the various measurements.
- Stabilize its own production/consumption imbalances and therefore its electrical frequency by indiscriminately using its own primary reserve to adjust its frequency as well as the primary reserves of other alternating current electrical systems.
La présente invention concerne ainsi plus particulièrement un procédé de pilotage de convertisseurs bidirectionnels courant alternatif/courant continu, de sous-stations reliant un premier système à courant alternatif pourvu d’au moins un premier générateur de courant alternatif et/ou au moins une première charge, à au moins un second système à courant alternatif, comportant au moins un second générateur de courant alternatif et/ou au moins une seconde charge, au travers d’une ligne en courant continu, pour lequel la commande de chacun desdits convertisseurs est réalisée en mode source de tension (en anglais grid forming), avec un algorithme de commande vectorielle de l’amplitude et de l’angle de la tension alternative de chaque convertisseur, côté système en courant alternatif, et comporte une fonction F de pilotage desdits convertisseurs, du type partage de la charge en puissance active entre chaque sous-station de la ligne en courant continu et son système à courant alternatif, ladite fonction fournissant une fréquence de ladite tension alternative exploitée par ladite commande vectorielle desdits convertisseurs pour le calcul dudit angle de ladite tension alternative.The present invention thus relates more particularly to a method for controlling bidirectional alternating current/direct current converters, substations connecting a first alternating current system provided with at least one first alternating current generator and/or at least one first load , to at least one second alternating current system, comprising at least one second alternating current generator and/or at least one second load, through a direct current line, for which the control of each of the said converters is carried out by voltage source mode (grid forming in English), with a vector control algorithm for the amplitude and the angle of the alternating voltage of each converter, on the alternating current system side, and comprises a function F for controlling said converters, of the active power load sharing type between each substation of the direct current line and its alternating current system, said e function providing a frequency of said alternating voltage used by said vector control of said converters for the calculation of said angle of said alternating voltage.
La fonction de pilotage permet, contrairement aux systèmes de l’art antérieur, une régulation de tension et de fréquence des systèmes reliés par la ligne à courant continu au travers de cette ligne à courant continu.The control function allows, unlike the systems of the prior art, voltage and frequency regulation of the systems connected by the direct current line through this direct current line.
Préférablement, ladite fonction F de pilotage est telle que la fréquence électrique
L’algorithme de commande vectorielle peut comporter une régulation de tension alternative avec boucle de courant alternatif pourvue d’une fonction de limitation du courant alternatif à une valeur limite. Ceci permet au convertisseur de fonctionner en source de tension tout en le protégeant en cas d’appel de courant trop important.The vector control algorithm may include an AC voltage regulation with an AC current loop provided with a function of limiting the AC current to a limit value. This allows the converter to operate as a voltage source while protecting it in the event of excessive current inrush.
L’algorithme de commande vectorielle peut être un algorithme de type machine synchrone virtuelle, ladite fonction F de pilotage modulant la fréquence électrique des convertisseurs bidirectionnels côté courant alternatif. Ceci revient à avoir la fonction de pilotage en surcouche de la commande vectorielle pour réaliser un transfert de puissance au travers de la ligne à courant continu.The vector control algorithm can be a virtual synchronous machine type algorithm, said control function F modulating the electrical frequency of the bidirectional converters on the alternating current side. This amounts to having the control function superimposed on the vector control to carry out a transfer of power through the direct current line.
Selon un mode de réalisation particulier, la fonction F de pilotage est une fonction liant la fréquence du courant alternatif courante
Le gain de réglage peut être directement implémenté au niveau de calculateurs locaux pilotant lesdits convertisseurs.The adjustment gain can be directly implemented at the level of local computers controlling said converters.
Ledit gain de réglage peut aussi être fixé au niveau d’un calculateur distant d’un centre de contrôle pilotant lesdites sous-stations et transmis aux convertisseurs bidirectionnels desdites sous-stations au travers d’un réseau informatique reliant ledit calculateur distants à des calculateurs locaux pilotant lesdits convertisseurs en fonction de paramètres de fonctionnement des systèmes reliés auxdites sous-stations.Said adjustment gain can also be set at the level of a computer remote from a control center controlling said substations and transmitted to the bidirectional converters of said substations through a computer network connecting said remote computer to local computers. controlling said converters according to operating parameters of the systems connected to said substations.
Ceci peut être fait lors de la mise en place de la ligne et/ou permet d’adapter le gain en cas de changement de configuration d’un ou plusieurs systèmes.This can be done when setting up the line and/or allows the gain to be adapted in the event of a change in the configuration of one or more systems.
Le pilotage du transit de puissance dans ladite ligne à courant continu peut être réalisé au niveau des moyens de production et de stockage de chacun des systèmes courant alternatif interconnectés via leurs régulations classiques de puissance active et de fréquence de sorte que l’implémentation dudit procédé ne nécessite pas de modification de la régulation de puissance active et de la régulation de réglage primaire de fréquence desdits moyens de production et de stockage.The control of the transit of power in said direct current line can be carried out at the level of the means of production and storage of each of the alternating current systems interconnected via their conventional regulations of active power and frequency so that the implementation of said method does not does not require modification of the active power regulation and of the primary frequency adjustment regulation of said production and storage means.
La ligne en courant continu est avantageusement une ligne de type HDVC (liaison haute tension à courant continu) reliant au moins deux systèmes électriques à courant alternatif.The direct current line is advantageously a line of the HDVC (high voltage direct current link) type connecting at least two alternating current electrical systems.
L’invention concerne en outre un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de l’invention lorsque ce programme est exécuté par un processeur.The invention further relates to a computer program comprising instructions for implementing the method of the invention when this program is executed by a processor.
L’invention concerne de plus un support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en œuvre du procédé de l’invention lorsque ce programme est exécuté par un processeur.The invention further relates to a non-transitory recording medium readable by a computer on which is recorded a program for the implementation of the method of the invention when this program is executed by a processor.
L’invention concerne en outre un réseau électrique mixte courant alternatif / courant continu comportant au moins une ligne HVDC (liaison haute tension à courant continu) reliant au moins deux systèmes à courant alternatif au travers de stations de conversion munies de convertisseurs bidirectionnels courant alternatif/courant continu, pour lequel les convertisseurs desdites stations de conversions sont commandés selon le procédé de l’invention.The invention further relates to a mixed alternating current/direct current electrical network comprising at least one HVDC line (high voltage direct current link) connecting at least two alternating current systems through converter stations equipped with bidirectional alternating current/direct current converters. direct current, for which the converters of said converter stations are controlled according to the method of the invention.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics, details and advantages will appear on reading the detailed description below, and on analyzing the appended drawings, in which:
La
Selon l’art antérieur, les calculateurs pilotent les convertisseurs en mode source de courant GFE (« grid feeding » en anglais) ou pilotent un convertisseur en mode source de courant GFE et l’autre en mode source de tension GFO (« grid forming » en anglais).According to the prior art, the computers control the converters in GFE (grid feeding) current source mode or control one converter in GFE current source mode and the other in GFO (grid forming) voltage source mode. in English).
La
En
Un premier système AC1 comporte un générateur G1 10a de type machine tournante ou source d’énergie avec un convertisseur en mode source de tension GFO, par exemple de type machine tournante virtuelle, une charge L1 11a des liaisons selfiques XG112a et XVSC113a représentant des lignes de raccordement et le convertisseur VSC1 2a.A first system AC1 comprises a generator G1 10a of the rotating machine or energy source type with a converter in voltage source mode GFO, for example of the virtual rotating machine type, a load L1 11a of the inductive links X G1 12a and X VSC1 13a representing connection lines and the VSC1 converter 2a.
Un second système AC2 comporte un groupe générateur G2 10a de type machine tournante ou source d’énergie avec un convertisseur en mode source de tension GFO, par exemple de type machine tournante virtuelle, une charge L2 11a, des liaisons selfiques XG 212b et XVSC 213b et le convertisseur VSC2 2a.A second system AC2 comprises a generator group G2 10a of the rotating machine or energy source type with a converter in voltage source mode GFO, for example of the virtual rotating machine type, a load L2 11a, inductive links X G 2 12b and X VSC 2 13b and the VSC2 2a converter.
Chaque convertisseur bidirectionnel est contrôlé par une commande vectorielle de la tension alternative de ces convertisseurs mais, dans le cadre de l’invention, le convertisseur est piloté en mode source de tension GFO et une fonction F, de pilotage du convertisseur liant la fréquence électriquef VSCi du courant alternatif dudit convertisseur côté système à courant alternatif à une tensionU DCVSCi (icif VSC 1 fonction de U DC1 etf VSC 2 fonction deU DC2 ) dudit convertisseur côté ligne HDVC est implémentée en surcouche de ladite commande vectorielle. De ce fait, la fréquence électrique dudit courant alternatif côté système en courant alternatif est liée aux variations de la tension continue au niveau de la sortie côté courant continu du convertisseur correspondant.Each bidirectional converter is controlled by vector control of the alternating voltage of these converters but, in the context of the invention, the converter is controlled in GFO voltage source mode and a function F, for controlling the converter linking the electrical frequency f VSCi from the alternating current of said alternating current system-side converter to a voltage U DCVSCi (here f VSC 1 function of U DC1 and f VSC 2 function of U DC2 ) of said HDVC line-side converter is implemented as an overlay of said vector control. Therefore, the electrical frequency of said alternating current on the alternating current system side is related to the variations of the direct current voltage at the level of the direct current side output of the corresponding converter.
La fonction F se lit :
Un exemple de fonction F simple applicable à l’invention est alors :
Contrairement aux réalisations de l’art antérieur, dans la présente invention aucune des stations de conversion ne régule explicitement le transit de puissance dans la liaison HVDC. Cette régulation est implicitement confié aux sources d’énergie, groupes de production et systèmes de stockage de chacun des systèmes AC interconnectés, au moyen de leurs régulations classiques de puissance active et de fréquence. Aussi la présente invention ne nécessite pas de modifier la régulation de puissance active et le réglage primaire de fréquence des moyens de production et de stockage existants.Unlike the embodiments of the prior art, in the present invention none of the converter stations explicitly regulates the transit of power in the HVDC link. This regulation is implicitly entrusted to the energy sources, production groups and storage systems of each of the interconnected AC systems, by means of their conventional active power and frequency regulations. Also the present invention does not require modifying the active power regulation and the primary frequency adjustment of the existing production and storage means.
Les effets de l’invention sont illustrés ci-après par le comportement des systèmes schématisés selon la
Les évènements illustrant le fonctionnement des systèmes selon le précédé de l’invention sont :The events illustrating the operation of the systems according to the precedent of the invention are:
A -AT - Evènement n°1 : modification des consignes de puissance de G1 et G2Event n°1: modification of the power setpoints of G1 and G2 ..
Par exemple on procède à une augmentation de la consigne de puissance active du groupe générateur G1 d’une valeur
L’augmentation de consigne de G1 induit une augmentation de sa puissance mécanique réelle ou virtuelle via le processus de pilotage de la source primaire du groupe générateur G1 tandis que la diminution de consigne de G2 induit une diminution de sa puissance mécanique réelle ou virtuelle via le processus de pilotage de la source primaire du groupe G2The increase in G1 setpoint induces an increase in its real or virtual mechanical power via the process of controlling the primary source of the generator set G1 while the decrease in G2 setpoint induces a decrease in its real or virtual mechanical power via the process for controlling the primary source of group G2
Il en résulte un déséquilibre des équations des masses tournantes des deux groupes qui se traduit par une augmentation progressive de la fréquence du groupe G1 ainsi qu’une baisse progressive de la fréquence du groupe G2 à partir de l’équation des masses tournantes :This results in an imbalance of the equations of the rotating masses of the two groups which results in a progressive increase in the frequency of the group G1 as well as a progressive decrease in the frequency of the group G2 from the equation of the rotating masses:
L’équation des masses tournantes linéarisée :
Il y a alors une variation des fréquences des générateurs en réponse au changement de consigne.There is then a variation of the frequencies of the generators in response to the change of setpoint.
Dans un second temps a lieu une modification des partages de puissance active dans chaque système à courant alternatif.Secondly, there is a modification of the active power shares in each alternating current system.
On appellera angle de la tension l’angle de phase des tensions.We will call the voltage angle the phase angle of the voltages.
Les variations progressives des fréquences
Il en résulte un nouveau partage de la puissance active entre les groupes et les stations de conversions selon les équations :
Ces équations sont valables aussi pour le second système en courant alternatif en remplaçant les indices 1 par des indices 2.These equations are also valid for the second alternating current system by replacing the indices 1 by indices 2.
Dans ce cas nous avonsP G1 croissant,P VSC1 décroissant (convention importateur),P G2 décroissant etP VSC2 croissant L’augmentation deP G1 se traduit en effet instantanément par une baisse équivalente deP VSC1 et donc de l’importation (ou une augmentation de l’exportation en fonction du point de fonctionnement initial) tandis que la baisse deP G 2 se traduit instantanément par une augmentation équivalente deP VSC 2 et donc de l’importation (ou une baisse de l’exportation en fonction du point de fonctionnement initial).In this case we have increasing P G1 , decreasing P VSC1 (importer agreement), decreasing P G2 and increasing P VSC2 The increase in P G1 is in fact instantly reflected by an equivalent decrease in P VSC1 and therefore in the import (or an increase in export as a function of the initial operating point) while the drop in P G 2 results instantly in an equivalent increase in P VSC 2 and therefore in import (or a drop in export depending on the initial operating point).
Ensuite, le système complet se stabilise au nouveau point de fonctionnement :Then, the complete system stabilizes at the new operating point:
Les variations des puissances actives AC des stations de conversion se répercutent instantanément côté DC et se traduisent par une charge en énergie des condensateurs du bus DC de la station de la zone 1 et donc une augmentation progressive deU DC1 et inversement pour la station de la zone 2 :
Il en résulte progressivement une augmentation de la puissance activeP DC transitée par la ligne HVDC de la zone 1 vers la zone 2 :
L’algorithme de partage de la charge de chaque station selon l’équation de la présente invention va répercuter ces évolutions sur leur fréquence électrique :
Le terme de réglage primaire contenu dansP G1ref etP G2ref :
The primary adjustment term contained in P G1ref and P G2ref :
B -B- Evènement n°2 : perte du groupe de production G1Event n°2: loss of production group G1 ::
L’évènement est par exemple un découplage de G1 en cas d’export du système n°1 vers le système n°2.The event is for example a decoupling of G1 in case of export from system n°1 to system n°2.
La première étape est une modification du partage de puissance active dans le premier système. Le groupe G1 n’étant plus connecté au réseau et la charge L1 restant globalement constante, l’intégralité de cette charge est reprise instantanément par la station VSC1. L’expression de la puissance active de la station VSC1 côté courant alternatif peut être réduite de l’équation Math. 9 ci-dessus à l’expression simplifiée ci-dessous :
La deuxième étape est une modification du transit de puissance sur la liaison HVDC. La variation de puissance de la station VSC1 est alimentée dans les premiers instants par sa réserve d’énergie électrostatique, les condensateurs 61a, 52a de la
Dans ce cas on a :
La tension UDC2 n’ayant pas encore évoluée, une baisse progressive du transit de puissance active PDC12s’effectue jusqu’à obtenir un import du système n°1 depuis le système n°2 : PDC12<0.Since the voltage UDC2 has not yet changed, a gradual drop in the transit of active power P DC12 takes place until system no. 1 is imported from system no. 2: P DC12 <0.
La troisième étape est une stabilisation du système complet au nouveau point de fonctionnement.The third step is a stabilization of the complete system at the new operating point.
Dans le système n°2, c’est tout d’abord les condensateurs 61b, 62b de la station 2 qui vont se décharger progressivement pour participer à alimenter le nouveau transit de puissanceP DC12 .Ce faisant la tensionU DC2 va également chuter selon l’équation en puissance d’un condensateur sur un bus DC linéarisée :
L’algorithme de partage de la charge de station VSC2 correspondant à la présente invention va alors répercuter cette chute sur sa fréquence électrique :
Cette évolution de la fréquence va engendrer une baisse progressive de l’angle de la tension de la station VSC2 selon l’équation
Le fonctionnement de l’invention est illustré par simulation numérique. Trois cas d’étude ont été modélisés et simulés avec le logiciel « Powerfactory » de la société Digsilent GmbH version 2020 SP2A :The operation of the invention is illustrated by digital simulation. Three case studies were modeled and simulated with the “Powerfactory” software from Digsilent GmbH version 2020 SP2A:
Cas d’étude n°1 : systèmes AC conventionnels - chaque système est alimenté par un groupe de production conventionnel.Case study 1: conventional AC systems - each system is powered by a conventional generator.
Cas d’étude n°2 : systèmes AC 100% électronique de puissance : chaque système est alimenté par une source de type BESS.Case study n°2: 100% power electronic AC systems: each system is powered by a BESS-type source.
Cas d’étude n°3 : systèmes AC 100% électronique de puissance fonctionnant avec deux fréquences nominales différentes : chaque système est alimenté par une source de type BESS, le système n°1 a une fréquence nominale de 50 Hz tandis que le système n°2 a une fréquence nominale de 60 Hz.Case study n°3: 100% power electronic AC systems operating with two different nominal frequencies: each system is powered by a BESS type source, system n°1 has a nominal frequency of 50 Hz while system n° °2 has a nominal frequency of 60 Hz.
Les résultats présentés ci-dessous sont issues de simulations dynamiques RMS, par conséquent les phénomènes observés correspondent aux équations développées ci-dessus.The results presented below come from dynamic RMS simulations, therefore the observed phenomena correspond to the equations developed above.
Cas d’étude n°1 : systèmes AC conventionnels - chaque système est alimenté par un groupe de production conventionnelCase study 1: conventional AC systems - each system is powered by a conventional generator
La vue globale du modèle « Powerfactory » du cas d’étude numéro 1 est donnée en
Les systèmes en courant alternatif AC1 et AC2 comportent chacun un générateur 211, 212, une première ligne en courant alternatif moyenne tension 221, 222 un transformateur moyenne tension vers haute tension 231, 232, une ligne haute tension 241,242 alimentant une charge 251, 252 , un transformateur haute tension 261, 262 une ligne haute tension 271, 272 de liaison avec un convertisseur bidirectionnel AC/DC d’une station de conversion 281, 282 et sont reliés ensemble par la ligne HDVC 30 entre les stations de conversion.The AC1 and AC2 alternating current systems each comprise a generator 211, 212, a first medium voltage alternating current line 221, 222, a medium voltage to high voltage transformer 231, 232, a high voltage line 241,242 supplying a load 251, 252, a high voltage transformer 261, 262 a high voltage line 271, 272 for connection with a bidirectional AC/DC converter of a converter station 281, 282 and are connected together by the HDVC line 30 between the converter stations.
Des condensateurs 291, 292 sont reliés aux deux extrémités de la ligne HDVC.Capacitors 291, 292 are connected to both ends of the HDVC line.
Les données des lignes, des transformateurs et les condensateurs de filtrage DC de l’essai en simulation sont les suivants.The data of the lines, transformers and DC filter capacitors of the simulation test are as follows.
Les lignes AC 221 et 222 sont des lignes de 33 kV avec une résistance de 0,047 Ohm pour 1 km une inductance de 0,34 mH pour 1 km et une capacitance de 0,3 µF pour 1 km.AC lines 221 and 222 are 33 kV lines with a resistance of 0.047 Ohm for 1 km, an inductance of 0.34 mH for 1 km and a capacitance of 0.3 µF for 1 km.
Les lignes AC 241 et 242 sont des lignes de 150 kV avec une résistance de 0,06 Ohm pour 1 km une inductance de 0,44 mH pour 1 km et une capacitance de 0,14 µF pour 1 km.AC lines 241 and 242 are 150 kV lines with a resistance of 0.06 Ohm for 1 km an inductance of 0.44 mH for 1 km and a capacitance of 0.14 µF for 1 km.
Les transformateurs 231 et 232 sont des transformateurs 33/150 kV avec au niveau haute tension une résistance de 0,79 Ohm et une inductance de 42,13 mH.Transformers 231 and 232 are 33/150 kV transformers with, at the high voltage level, a resistance of 0.79 Ohm and an inductance of 42.13 mH.
Les groupes de production 211 et 212 sont identiques et ont une puissance apparente nominale de 100 MVA et une constante d’inertie de 5s.Generating sets 211 and 212 are identical and have a nominal apparent power of 100 MVA and an inertia constant of 5s.
Les stations de conversion sont modélisées en convention importatrice.The converter stations are modeled in import convention.
Les charges L1 et L2 sont modélisées sous forme de puissances constantes.Loads L1 and L2 are modeled as constant powers.
La ligne continue est une ligne de ± 150kV avec une résistance de 0,019 Ohm par km et une inductance de 0,1 µH par km.The solid line is a ±150kV line with a resistance of 0.019 Ohm per km and an inductance of 0.1 µH per km.
Les transformateur 261, 262 sont des transformateurs 150/110 kV avec au niveau haute tension une résistance de 0,241 Ohm, une inductance de 76,74 mH.Transformers 261, 262 are 150/110 kV transformers with a high voltage level with a resistance of 0.241 Ohm, an inductance of 76.74 mH.
Les condensateurs 291, 292 sont des condensateurs de 400 µF.Capacitors 291, 292 are 400 µF capacitors.
Les tensions nominales entre phases pour la partie AC et entre pôles pour la partie DC du système global sont les suivantes :The nominal voltages between phases for the AC part and between poles for the DC part of the overall system are as follows:
L’algorithme de réglage primaire des groupes de production et les algorithmes de partage de la puissance active des stations de conversion ont été paramétrés de la façon suivante :The primary control algorithm of the production groups and the active power sharing algorithms of the converter stations have been configured as follows:
Le coefficient K va être calculé en fonction de la déviation acceptable de la tension de la ligne HVDC et une déviation acceptable en fréquence en cas d’incident dimensionnant. La déviation maximale de la fréquence et la déviation maximale de la tension dépendent de la politique réseau et de l’incident dimensionnant. Par exemple on choisit ici 200 mHz/30 kV. Ce coefficient peut être adapté au besoin.The coefficient K will be calculated according to the acceptable deviation of the voltage of the HVDC line and an acceptable deviation in frequency in the event of a dimensioning incident. The maximum frequency deviation and the maximum voltage deviation depend on the grid policy and the dimensioning incident. For example, 200 mHz/30 kV is chosen here. This coefficient can be adapted as needed.
La simulation réalisée inclut les évènements suivants :
A : t=10 s : augmentation de 50% de la charge L1 ;
B : t=30 s : augmentation de la consigne de puissance active de G1 sous forme d’échelon ;
C : t=50 s : le disjoncteur de G1 n°1 s’ouvre.The simulation performed includes the following events:
A: t=10 s: 50% increase in L1 load;
B: t=30 s: increase in the active power setpoint of G1 in the form of a step;
C: t=50 s: the G1 n°1 circuit breaker opens.
AAT :: t=10t=10 s : augmentation de 50% de la charge L1 :s: 50% increase in load L1:
On observe dans un premier temps un nouveau partage de la puissance active de la charge L1 251 dans le système AC1. Ce nouveau partage se traduit pour la station de conversion VSC1 281 par une diminution instantanée de son export. Avant que l’import de la station de conversion VSC2 282 ne diminue, la diminution de l’export de VSC1 est tout d’abord compensé intégralement par le condensateur équivalent Cdc1 291 puis partagé entre les condensateurs Cdc1 291 et Cdc2 292. La décharge en énergie électrostatique des condensateurs Cdc1 et Cdc2 entraîne une chute des tensions DC des stations de conversion VSC1 et VSC2 comme représenté en
L’algorithme de partage de la charge des stations de conversion reporte ces chutes de tension DC sur les fréquences des convertisseurs des stations de conversion VSC 1 281 et VSC 2 282.The converter station load sharing algorithm transfers these DC voltage drops to the frequencies of the converter stations VSC 1281 and VSC 2282.
Au niveau du système AC2, la chute de la fréquence du convertisseur de la station VSC2 281 entraîne une diminution progressive de l’angle de la tension du convertisseur de la station de conversion VSC2 282 comparativement à l’angle de la tension du générateur G2 212 ainsi qu’une augmentation progressive de la puissance fournie par le générateur G2 grâce au phénomène de puissance synchronisante comme représenté en
Les fréquences des générateurs G1 et G2 et des stations VSC1 et VSC2 sont alors stabilisées par l’algorithme de réglage primaire de fréquence des générateurs G1 et G2.The frequencies of the generators G1 and G2 and of the stations VSC1 and VSC2 are then stabilized by the primary frequency tuning algorithm of the generators G1 and G2.
BB :: t=30t=30 s : augmentation de la consigne de puissance active du générateur G1 211 sous forme d’un échelon de consigne :s: increase in the active power setpoint of generator G1 211 in the form of a setpoint step:
On observe en
Comme pour l’évènement précédent, c’est dans un premier temps les condensateurs Cdc1 et Cdc2 qui vont compenser le déséquilibre production/consommation du système AC1 en se chargeant ce qui va faire augmenter les tensions HVDC des stations VSC1 et VSC2 comme représenté en
L’élévation de la tension HVDC de la station VSC2 va également faire augmenter sa fréquence électrique grâce à son algorithme de partage de la puissance active et ainsi faire progressivement augmenter l’angle de sa tension comparativement à l’angle de la tension du générateur G2 et ainsi augmenter l’import de la station VSC 2 tout en réduisant la puissance active fournie par G2.The increase in the HVDC voltage of the VSC2 station will also increase its electrical frequency thanks to its active power sharing algorithm and thus gradually increase the angle of its voltage compared to the angle of the voltage of the generator G2 and thus increase the import of the VSC 2 station while reducing the active power supplied by G2.
Comme pour l’évènement précédent, le réglage primaire des générateurs G1 et G2 va stabiliser la fréquence des deux systèmes AC comme représenté à la
CVS :: t=50t=50 s : le disjoncteur de G1 s’ouvre :s: the G1 circuit breaker opens:
La déconnexion de G1 entraîne une reprise intégrale et instantanée de l’alimentation de la charge L1 par la station VSC1 qui était initialement exportatrice et devient donc importatrice comme représenté en
La puissance active permettant à la station VSC1 d’alimenter L1 est dans les premiers instants fournie par le condensateur Cdc 1 puis partagé entre Cdc 1 et Cdc 2 ce qui entraîne une chute des tensions HVDC des stations VSC1 et VSC2.The active power enabling station VSC1 to supply L1 is initially supplied by capacitor Cdc 1 then shared between Cdc 1 and Cdc 2, which leads to a drop in the HVDC voltages of stations VSC1 and VSC2.
L’algorithme de partage de la charge de la station VSC2 répercute sa chute de tension HVDC sur sa fréquence et cette chute de fréquence entraîne progressivement une baisse de l’angle de la tension de VSC2 vis-à-vis de l’angle de la tension de G2 ainsi qu’une reprise progressive de la puissance active de la station VSC2 par G2.The load sharing algorithm of the VSC2 station reflects its HVDC voltage drop on its frequency and this frequency drop gradually causes the angle of the VSC2 voltage to drop with respect to the angle of the voltage of G2 as well as a gradual recovery of the active power of the station VSC2 by G2.
L’algorithme de réglage primaire de fréquence de G2 permet à lui seul de stabiliser les fréquences du système AC2 comme représenté en
Cas d’étude n°2 : système 100% électronique de puissanceCase study n°2: 100% electronic power system
Dans ce cas d’étude les groupes G1 et G2 sont remplacées par des systèmes de stockage d’énergie à batteries (BESS pour BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM en anglais) en mode grid forming avec un algorithme de partage de la puissance active de type commande par statisme (droop control en anglais)) suivant :In this case study, groups G1 and G2 are replaced by battery energy storage systems (BESS for BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM in English) in grid forming mode with an algorithm for sharing active power of the control type by droop control) following:
avec :with :
f BESS (Hz) : la fréquence de chaque batterie ; f BESS (Hz): the frequency of each battery;
f n (Hz) : la fréquence nominale de chaque batterie ; f n (Hz): the nominal frequency of each battery;
P ref (MW) : la consigne de puissance active de chaque batterie ;P ref (MW): the active power setpoint of each battery;
P BESS (MW) : la puissance active injectée par chaque batterie ;P BESS (MW): the active power injected by each battery;
K fP (Hz/MW) : le gain de réglage de l’algorithme de partage de la puissance active qui est été paramétré à 0,01 Hz/MW.K fP (Hz/MW): the tuning gain of the active power sharing algorithm which has been set to 0.01 Hz/MW.
Les équations:The equations:
Restent valables en remplaçant les indices G par BESS, de même il faut remplacer G1 et G2 par BESS1 et BESS2 dans la
La simulation réalisée inclut les évènements suivants :
D : t=1 s augmentation de 50% de la charge L1 ;
E : t=2 s la consigne de puissance active du BESS 1 passe de 40 MW à 50 MW sous forme d’échelon ;
F : t=5 s le disjoncteur du BESS 1 s’ouvre.The simulation performed includes the following events:
D: t=1 s 50% increase in L1 load;
E: t=2 s the BESS 1 active power setpoint changes from 40 MW to 50 MW in the form of a step;
F: t=5 s the BESS 1 circuit breaker opens.
D : t=1D: t=1 s : augmentation de 50% de la charge L1 :s: 50% increase in load L1:
On observe dans un premier temps un nouveau partage de la puissance active de la charge L1 dans le système n°1. Ce nouveau partage représenté en
La diminution de l’export de VSC1 est tout d’abord alimenté intégralement par le condensateur équivalent Cdc1 puis partagé entre Cdc1 et Cdc2. La décharge en énergie électrostatique des condensateurs Cdc1 et Cdc2 entraînent une chute des tensions DC associées représentée en
L’algorithme de partage de la charge des stations de conversion reporte ces chutes de tension DC sur les fréquences des convertisseurs VSC 1 et VSC 2.The load sharing algorithm of the converter stations transfers these DC voltage drops to the frequencies of the VSC 1 and VSC 2 converters.
Cette chute de la fréquence de VSC2 entraîne une diminution progressive de l’angle de la tension de VSC2 comparativement à l’angle de la tension du BESS2 ainsi qu’une augmentation progressive de la puissance fournie par le BESS2 grâce au phénomène de puissance synchronisante.This drop in the frequency of VSC2 leads to a progressive decrease in the angle of the voltage of VSC2 compared to the angle of the voltage of the BESS2 as well as a progressive increase in the power supplied by the BESS2 thanks to the phenomenon of synchronizing power.
Les fréquences des BESS1 et BESS2 et des stations VSC1 et VSC2 sont stabilisées par l’algorithme de partage de la puissance active des BESS1 et BESS2 qui sont équivalents en régime permanent au réglage primaire de fréquence des groupes G1 et G2.The frequencies of BESS1 and BESS2 and stations VSC1 and VSC2 are stabilized by the active power sharing algorithm of BESS1 and BESS2 which are steady state equivalent to the primary frequency setting of groups G1 and G2.
EE :: t=2t=2 s : la consigne de puissance active du BESS1 passe de 40 MW à 50s: the active power setpoint of the BESS1 changes from 40 MW to 50 MW sous forme d’échelonMW as a step
On observe que l’échelon de consigne de puissance active du BESS1 se traduit simultanément par un échelon de sa fréquence par l’action de son algorithme de partage de la puissance active. Cette modification de fréquence va entraîner une augmentation progressive de l’angle de la tension du BESS1 vis-à-vis de la station de conversion VSC1 ainsi qu’une augmentation de la puissance active fournie par le BESS1 et exportée par la station VSC1.It can be seen that the active power setpoint step of the BESS1 is simultaneously translated into a step of its frequency by the action of its active power sharing algorithm. This frequency modification will lead to a gradual increase in the voltage angle of the BESS1 with respect to the converter station VSC1 as well as an increase in the active power supplied by the BESS1 and exported by the station VSC1.
Comme pour l’évènement précédent, c’est dans un premier temps les condensateurs HVDC qui vont compenser le déséquilibre production – consommation du système AC1 en se chargeant ce qui va faire augmenter les tensions HVDC des stations VSC1 et VSC2.As for the previous event, it is initially the HVDC capacitors which will compensate for the production-consumption imbalance of the AC1 system by charging, which will increase the HVDC voltages of the VSC1 and VSC2 stations.
L’élévation de la tension HVDC de la station VSC2 va également faire augmenter sa fréquence électrique grâce à son algorithme de partage de la puissance active et ainsi faire progressivement augmenter l’angle de sa tension comparativement à l’angle de la tension du BESS2 ainsi que l’import de la station VSC2 tout en réduisant la puissance active fournie par le BESS2.Raising the HVDC voltage of the VSC2 station will also increase its electrical frequency thanks to its active power sharing algorithm and thus gradually increase the angle of its voltage compared to the angle of the voltage of the BESS2 as well than importing the VSC2 station while reducing the active power supplied by the BESS2.
Comme pour l’évènement précédent, le réglage primaire des BESS1 et BESS2 va stabiliser la fréquence des deux systèmes AC.As with the previous event, the primary setting of BESS1 and BESS2 will stabilize the frequency of both AC systems.
F :F: t=5t=5 s : le disjoncteur du BESS1 s’ouvres: BESS1 circuit breaker opens
La déconnexion du BESS 1 entraîne une reprise intégrale et instantanée de l’alimentation de la charge L1 par la station VSC1 qui était initialement exportatrice.The disconnection of the BESS 1 results in a complete and instantaneous resumption of the supply of the load L1 by the VSC1 station which was initially exporting.
La puissance permettant à la station VSC1 d’alimenter L1 est dans les premiers instants fournie par le condensateur Cdc 1 puis partagé entre Cdc 1 et Cdc 2 ce qui entraîne une chute des tensions HVDC des stations VSC1 et VSC2.The power enabling station VSC1 to supply L1 is initially supplied by capacitor Cdc 1 then shared between Cdc 1 and Cdc 2, which leads to a drop in the HVDC voltages of stations VSC1 and VSC2.
L’algorithme de partage de la charge de la station VSC2 répercute sa chute de tension HVDC sur sa fréquence comme représenté en
L’algorithme de partage de la charge du BESS 2 permet à lui seul de stabiliser les fréquences du système AC2 ainsi que du système AC1 (définie exclusivement par la station VSC1) qui n’a plus de source d’énergie locale.The BESS 2 load sharing algorithm alone stabilizes the frequencies of the AC2 system as well as the AC1 system (defined exclusively by the VSC1 station) which no longer has a local energy source.
Cas d’étude n°3 : système 100% électronique de puissance avecCase study n°3: 100% electronic power system with ff 1n1n =50 Hz et=50Hz and ff 2n2n =60 Hz :=60Hz:
Le présent cas d’étude n°3 est identique en tout point au cas d’étude n°2 à la différence près que la fréquence nominale du BESS2 et de la station VSC 2 est de 60 Hz. Le comportement du système global est également identique au cas d’étude n°2 avec de légères différences temporelles liées au changement de la fréquence nominale du système AC2. IL y a donc là aussi synchronisation des systèmes au plan du partage de puissance malgré les fréquences différentes.This case study n°3 is identical in all respects to case study n°2 except that the nominal frequency of the BESS2 and the VSC station 2 is 60 Hz. The behavior of the overall system is also identical to case study n°2 with slight time differences linked to the change in the nominal frequency of the AC2 system. There is therefore also synchronization of the systems in terms of power sharing despite the different frequencies.
Contrairement à l’art antérieur, la présente invention rend synchrones plusieurs systèmes électriques AC interconnectés par des liaisons HVDC VSC.Contrary to the prior art, the present invention makes synchronous several AC electrical systems interconnected by HVDC VSC links.
Claims (12)
Avec
With
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