JP2002354678A - 発電装置およびその制御方法 - Google Patents

発電装置およびその制御方法

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信善 竹原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ACモジュールのインバータ内に連系リレーを
備えることは、インバータを大型化させる一因になる
し、異常が発生した際のACモジュールと系統との遮断状
態を、ユーザが確認し辛い。 【解決手段】 プラグ部42をコンセントへ連結すること
で、アダプタ部41を介して、インバータ3の出力を系統
または負荷へ供給する。インバータ3は、直流分の流
出、太陽電池などの地絡、前記電力変換手段の故障また
は異常、あるいは、系統の異常を検出した場合、プラグ
部42とアダプタ部41とを分離するための信号を出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は発電装置およびその
制御方法に関し、例えば、太陽電池とインバータのよう
な電力変換器を有し、商用電力系統や負荷に交流電力を
供給する発電装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電力供給の多様化に伴い、太陽電池、風
力発電、燃料電池、エンジン発電機などの自家発電装置
が注目されている。とくに、太陽電池は、環境負荷が少
なく、簡便な発電装置として注目が集まっている。
【０００３】近年、太陽電池の発電電力をインバータで
直交流変換して、商用電力系統（以下「系統」と呼ぶ）
へ供給する系統連系型の太陽光発電システムや、交流電
力を負荷へ供給する独立型の太陽光発電システムが普及
している。とくに、特開平10-14111号公報に開示され
た、太陽電池モジュールの裏面などにMIC (Module Inte
grated Converter)と呼ばれる小型のインバータを取り
付けて、太陽電池モジュール一枚で交流電力が出力可能
なインバータ付き太陽電池モジュール（以下「ACモジュ
ール」と呼ぶ）が、中小規模の太陽光発電装置や非常用
電源として注目されている。
【０００４】特開平10-14111号公報に開示されたような
ACモジュールは、そのリード線の先端の圧着端子などに
よって分電盤へ接続される。もし、ACモジュールに故障
が発生した場合、または、系統に異常が発生した場合は
ACモジュール内の連系リレーを開くことにより、ACモジ
ュールと系統との接続が遮断される。
【０００５】また、図1に示すような、コンセントを介
して太陽電池の発電電力を負荷などへ供給する構成も提
案されている。図1に示すようなACモジュール105であれ
ば、ユーザは、ACモジュール105のリード線の先端に設
けられたプラグ106をコンセント107に差し込むだけで、
負荷109などへ電力を供給することができる。
【０００６】図1に示す太陽光発電システムにおいて
も、ACモジュール105のインバータ101内には連系リレー
102が備わり、太陽電池103、インバータ101または系統1
04に異常が発生した場合は、連系リレー102を開くこと
で、系統104（および負荷109）とACモジュール105とを
切り離している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図1に示すよ
うな太陽光発電システムは次の問題を有する。 (1) ACモジュール105のインバータ内に連系リレー102を
備えることは、インバータを大型化させる一因になる。 (2) 異常が発生した際のACモジュール105と系統104との
遮断は、ACモジュール105内部で行われるため、ユーザ
は、遮断状態にあることを確認し辛い。 (3) ACモジュール105の故障を確認したユーザは、分電
盤108内の分岐開閉器111などを操作して、系統104とAC
モジュール105とを遮断することが望ましいが、これは
大変煩わしい作業である。 (4) 異常や故障発生時、ユーザは、ACモジュール105の
プラグ106をコンセント107から抜くことが望ましいが、
放置されるおそれがある。
【０００８】本発明は、上述の問題を個々にまたはまと
めて解決するためのもので、ACモジュール内のインバー
タを小型化することを目的とする。
【０００９】また、異常発生時のACモジュールと系統と
の遮断状態を容易に確認できるようにすることを他の目
的とする。
【００１０】また、ACモジュールに故障が発生した際
に、系統とACモジュールとを遮断することを他の目的と
する。
【００１１】さらに、異常や故障発生時、ACモジュール
のプラグをコンセントから抜くことを他の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１３】本発明にかかる発電装置は、直流電力を交
流電力に変換する電力変換手段と、前記電力変換手段の
出力を商用電力系統または負荷へ接続するための接続手
段と、前記接続手段へ、その接続を解除する信号を供給
する信号出力手段とを有することを特徴とする。
【００１４】好ましくは、前記信号出力手段は、直流分
の流出、太陽電池などの地絡、前記電力変換手段の故障
または異常、あるいは、前記商用電力系統の異常を検出
した場合、前記解除信号を出力することを特徴とする。
【００１５】好ましくは、前記接続手段は、永久磁石を
内蔵し、前記商用電力系統または負荷へ接続されたコン
セントへ連結されるプラグ部、並びに、前記解除信号に
より駆動される電磁石を内蔵し、前記プラグ部と前記電
力変換手段の出力端とを連結する連結部とを有し、前記
解除信号により前記プラグ部と前記連結部とが分離され
ることを特徴とする。
【００１６】本発明にかかる発電装置の制御方法は、直
流電力を交流電力に変換する電力変換手段、前記電力変
換手段の出力を商用電力系統または負荷へ接続するため
の接続手段、並びに、前記接続手段へ、その接続を解除
する信号を供給する信号出力手段を有する発電装置の制
御方法であって、直流分の流出、太陽電池などの地絡、
前記電力変換手段の故障または異常、あるいは、前記商
用電力系統の異常を検出した場合、前記信号出力手段に
前記解除信号を出力させることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる一実施形態
の太陽光発電装置を図面を参照して詳細に説明する。な
お、本発明は、太陽光発電装置だけでなく、風力発電、
燃料電池、エンジン発電機、バッテリなどを利用する発
電装置にも適用できる。
【００１８】［ACモジュールの構成］図2は本実施形態
を採用したACモジュールの概観図である。ACモジュール
を構成する主な要素は次のとおりである。
【００１９】ACモジュールの大部分を占める太陽電池2
には、光電変換部にアモルファスシリコン系、多結晶シ
リコン、結晶シリコンを用いるものが好適に使用され
る。また、太陽電池2には、直流電力を取り出すため
の、図示しない電極取り出し部が設けられている。な
お、本実施形態に使用する太陽電池は定格出力電圧25V
とする。太陽電池2の非受光面にはインバータ3が取り付
けられている。
【００２０】インバータ3の出力電力、および、後述す
る電磁石を励磁する励磁電流は、インバータ-アダプタ
間ケーブル11を介してアダプタ部41へ送られる。従っ
て、インバータ-アダプタ間ケーブル11には、インバー
タ3の出力電力を供給するための二線、および、励磁電
流を供給するための二線の合計四線が必要になる。
【００２１】本実施形態においては、インバータ3と系
統とを接続するために、詳細を後述するアダプタ部41お
よびプラグ部42（接続手段）を有する。
【００２２】［インバータ］図3はインバータ3の構成例
を示すブロック図である。
【００２３】インバータ3は、入力部21、入出力ノイズ
フィルタ、昇圧回路22、インバータ回路23、制御回路2
6、出力部25、零相電流検出器24、交流電流検出器30、
電磁石を励磁する励磁部28などから構成される。インバ
ータ3は、入力部21へ入力される太陽電池2の発電電力
を、昇圧回路22により例えば直流25Vから直流160Vに変
換する。インバータ回路23は、ブリッジ接続された複数
のスイッチング素子により構成され、制御回路26による
PWM制御により、直流160Vを例えば交流100Vに変換す
る。なお、インバータ回路23の入力電圧を160Vとするの
は、系統の交流電圧（100V）に±10%程度の電圧変動が
あっても、余裕をもって交流電力を送出するためであ
る。
【００２４】マイクロプロセッサなどで構成される制御
回路26は、インバータ回路23に供給するPWMスイッチン
グ制御信号を次のように生成する。
【００２５】制御回路26は、インバータ回路23に入力さ
れる電圧と、電圧指令値Vrefとを比較して、入力誤差信
号を生成する。一方、バンドパスフィルタを使用して出
力部25の交流電圧から連系点の電圧の基本周波数成分を
抽出する。入力誤差信号と抽出された基本周波数成分と
の乗算により、制御目標値を示す電流指令値信号を生成
する。この電流指令値信号と、出力される交流電流とを
演算して電流誤差信号を生成する。制御回路26の一部で
あるゲート駆動回路は、電流誤差信号と数十kHz程度の
基準三角波信号とを比較して、PWMスイッチング制御信
号を生成しインバータ回路23の各スイッチング素子に供
給する。
【００２６】なお、夜間等、太陽電池2が発電していな
い状態、または、インバータ3や太陽電池2に異常が発生
した場合、制御回路26は、PWMスイッチング制御信号を
インバータ回路23に供給せず、インバータ回路23はゲー
トブロック状態になる。
【００２７】上記のようなフィードバック制御により、
インバータ3は系統とほぼ同一の電流位相をもつほぼ力
率1の交流電力を出力する。なお、このようなPWM制御方
法は、この他にも多数の方法が公知であり、それらの方
法も利用可能である。
【００２８】また、制御回路26や各種検出器が消費する
電力は、太陽電池2の発電電力を供給するようにしても
よいし、交流出力側、すなわち系統から供給するように
しても差し支えない。
【００２９】インバータ3には地絡電流を検出するため
の零相電流検出器24、直流電流検出器30、内部温度検出
器29などが備わり、それらの検出値は制御回路26に送ら
れる。制御回路26は、零相電流、直流電流、内部温度な
どの規定値が設定されていて、その検出値が規定値を超
える場合、制御回路26は異常検出信号を励磁部28に送
る。異常検出信号を受けた励磁部28は、後述する電磁石
を励磁する電流を出力部25を介して出力する。
【００３０】これらインバータ3が有する零相電流検出
器24、直流電流検出器30、内部温度検出器29などの検出
手段、制御回路26および励磁部28は、後述するプラグと
コンセントとの機械的離脱を指示する信号出力部15を構
成する。
【００３１】零相電流検出器24は、インバータ3や太陽
電池2において地絡が発生した場合に発生する地絡電流
を検出するものである。地絡が発生すると、需要家内の
漏電遮断器が作動して、需要家への電力供給が停止する
が、これを防止するためにインバータ3内で地絡電流を
検出する。
【００３２】直流電流検出器30は、インバータ3の異常
により直流電力が系統に流出すると、柱上変圧器などを
偏磁させ、系統に悪影響を及ぼす。従って、直流電力が
インバータ3外へ流出するのを防ぐために、インバータ3
の交流出力端で直流電流を検出する。なお、直流電流検
出器30には、ホールセンサ、シャント抵抗など様々なも
のが利用可能である。
【００３３】内部温度検出器29は、スイッチング素子な
どが故障して、故障した素子に電流が流れ続けることで
発生するインバータ3内の異常な温度上昇を検出するも
のである。
【００３４】［接続手段］図4は接続手段を構成するア
ダプタ部41およびプラグ部42の構成例を示す図である。
【００３５】アダプタ部41には電磁石43が、プラグ部42
には永久磁石44が内蔵されている。永久磁石44としては
ゴム磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石など様々なも
のが使用可能である。本実施形態では、形状が簡単なこ
と、強い磁力が望ましいことからアルニコ磁石を使用す
る。また、本実施形態の永久磁石44は、アダプタ41側が
N極になるように配置される。
【００３６】定常時、すなわち励磁部28から励磁電流が
出力されていない場合は、アダプタ部41とプラグ部42と
は、永久磁石44の磁力により連結状態にある。従って、
太陽電池2の発電電力は、インバータ3、インバータ-ア
ダプタ間ケーブル11、アダプタ41、プラグ部42を通って
系統や負荷などへ供給される。
【００３７】異常時、すなわち励磁部28から励磁電流が
出力されると、電磁石43のプラグ部42側はN極になる。
そのため、電磁石43が発生する磁気により、永久磁石44
との間に反発力が働き、アダプタ部41はプラグ部42から
分離される。
【００３８】なお、永久磁石44のS極をアダプタ41側に
配置し、励磁された電磁石43のプラグ部42側がS極にな
るように配置しても同じ結果が得られる。また、定常時
は電磁石43を励磁して、アダプタ部41とプラグ部42とを
連結し、異常時に励磁電流を遮断して、アダプタ部41と
プラグ部42とを分離するようにしてもよい。ただし、本
実施形態のように、定常時に永久磁石44の磁力により連
結を維持する構成は、定常時に余分な電力を消費しない
点において、定常時に電磁石を励磁する構成よりも好ま
しい。
【００３９】また、プラグ部42の接点は、図4に示すよ
うに、アダプタ部41との連結面から奥まった場所に配置
することで、短絡や接触などを防いでいる。また、アダ
プタ部41の接点はアダプタ部41から突出するが、アダプ
タ部41がプラグ部42から分離された際は、インバータ3
をゲートブロック状態にしてアダプタ部41の接点に電圧
が発生しないようにする。さらに、インバータ3内部で
太陽電池2の出力を短絡するようにすれば、さらに安全
である。
【００４０】［ACモジュールと系統との接続］図5は本
実施形態のACモジュール1と系統7（および負荷10）との
接続例を示す図である。
【００４１】ACモジュール1のプラグ42は、需要家内
の、通常は負荷10が接続されるコンセント5に接続され
る。各コンセント5が電気的に接続された分電盤6に接続
される。分電盤6には、コンセント5などとの接続を開閉
する分岐開閉器9、需要家と系統7との接続を開閉する主
幹開閉器8が設けられている。また、系統7と分電盤6と
の間には、図示しない売買電メータが設置されていて、
系統7から供給を受けた電力使用量と、系統7へ供給した
電力量が計測される。
【００４２】［ACモジュールの動作］本実施形態のACモ
ジュール1は次のように動作する。
【００４３】太陽電池2が発電状態にある場合、その発
電電力はインバータ3により交流電力に変換され、イン
バータ-アダプタ間ケーブル11、アダプタ部41、プラグ4
2部を介して、コンセント5に供給される。
【００４４】例えば、インバータ3のスイッチング素子
が故障して、インバータ3が異常発熱したと想定する。
制御回路26は、内部温度検出器29の検出値と規定値とを
比較して、異常の発生を検出し、励磁部28に異常検出信
号を送る。異常検出信号を受信した励磁部28は、励磁電
流を出力し、アダプタ部41はプラグ部42から分離され
る。つまり、ACモジュール1の異常が検出された場合、A
Cモジュール1は系統7から自動的に分離される。
【００４５】なお、系統7からACモジュール1が分離され
る原因は、インバータ3の温度異常に限らず、太陽電池2
やインバータ3が地絡した場合、インバータ3から直流分
が流出した場合も、同様の分離動作が行われる。
【００４６】また、図2には、太陽電池2とインバータ3
とが一体化され、インバータ3とアダプタ部41とがケー
ブルによって接続される例を示したが、図6に示すよう
に、太陽電池2とインバータ3とが別個に配置され、それ
らがケーブルで接続される構成や、図7に示すように、
インバータ3とアダプタ部41とが一体化された構成など
も可能である。
【００４７】このように本実施形態によれば、次の効果
を得ることができる。 (1) ACモジュール1内に連系リレーを備える必要がない
ので、ACモジュール1をより小型化することができる。 (2) 異常が発生した際のACモジュール1と系統7との遮断
が、アダプタ部41とプラグ部42との間で行われるため、
ユーザは、遮断状態にあることを容易に確認することが
できる。 (3) ACモジュール1の故障を確認したユーザが、系統7と
ACモジュール1とを遮断する必要がない。 (4) 異常や故障発生時、ユーザは、ACモジュール1とコ
ンセント5との接続を切る必要がない。
【００４８】
【第2実施形態】以下、本発明にかかる第2実施形態の太
陽光発電装置を説明する。なお、本実施形態において、
第1実施形態と略同様の構成については、同一符号を付
して、その詳細説明を省略する。
【００４９】第1実施形態においては、インバータ3の励
磁部28からインバータ-アダプタ間ケーブル11を介して
アダプタ部41へ励磁電流を送ることで、アダプタ部41と
プラグ部42とを分離する例を説明した。この励磁電流に
は、電磁石43を励磁するため比較的大きな電流が必要に
なる。
【００５０】図8は第2実施形態にける接続手段の構成例
を示す図である。電磁石43のコイルには、電磁リレー52
およびダイオード53を介して交流電力ラインに接続され
ている。
【００５１】第2実施形態においては、アダプタ部41内
の電磁リレー52を設けて、インバータ3の励磁部28から
電磁リレー52を駆動し、交流電力を利用して電磁石43を
励磁する。電磁リレー52が駆動されると、リレー接点お
よびダイオード53を介して半波整流された電力が電磁石
43に供給され、アダプタ部41とプラグ部42とは分離す
る。
【００５２】このようにすれば、インバータ3からイン
バータ-アダプタ間ケーブル11を介して比較的小さな電
力の信号を送るだけで済む。例えば、第1実施形態で
は、電磁石43を直接励磁するために、励磁部28は数百mA
〜数A程度の電流を出力する必要があるが、電磁リレー5
2を駆動する第2実施形態の励磁部28は数m〜数十mA程度
の電流を出力すれば済む。
【００５３】また、アダプタ部41において交流電力ライ
ンの電力により電磁石43を励磁する構成であれば、イン
バータ3とアダプタ部41とが赤外線や電磁波などを利用
して通信を行うことでも、アダプタ部41とプラグ部42を
分離することが可能になる。
【００５４】
【第3実施形態】以下、本発明にかかる第3実施形態の太
陽光発電装置を説明する。なお、本実施形態において、
第1実施形態と略同様の構成については、同一符号を付
して、その詳細説明を省略する。
【００５５】第3実施形態においては、アダプタ部41と
プラグ部42とが分離するタイミングを交流電圧の零付近
にすることで接点の保護を図る。
【００５６】図9は第3実施形態におけるインバータ3の
構成例を示すブロック図で、インバータ3の交流電力出
力端にゼロクロス検出回路27を有する。
【００５７】図10はゼロクロス検出回路27および励磁部
28の構成例を示すブロック図、図11は駆動信号の出力タ
イミングを説明するタイミングチャートである。
【００５８】ゼロクロス検出回路27は、電流制限抵抗、
フォトカプラおよびフォトカプラの入力に逆電圧が加わ
るのを防ぐダイオードから構成される。フォトカプラの
出力は、フォトプラの入力に電流が流れる期間（例えば
交流電圧が正の期間）、導通する。従って、プルアップ
抵抗を介して制御電源に接続された励磁部28の同期駆動
回路には、図11に示すような矩形波電圧のゼロクロス検
出信号が入力される。
【００５９】制御回路26から異常検出信号が入力される
と、同期駆動回路はゼロクロス検出信号の立ち上がりま
たは立ち下りエッジに同期して駆動信号（例えば励磁電
流）を出力する。
【００６０】このようにすれば、交流電圧が零付近でア
ダプタ部41とプラグ部42とを分離することができ、接点
の保護を行うことができる。
【００６１】以上説明した各実施形態によれば、次の効
果を得ることができる。 (1) 系統に連系される太陽電池、風力発電、燃料電池、
エンジン発電機、バッテリなどを使用する発電装置にお
いて、異常発生時における安全性をより高めることがで
きる。 (2) ACモジュールと系統との遮断をインバータの外部で
行うことができるため、インバータを容易に小型化する
ことができる。 (3) 異常発生時にインバータと系統とを遮断する接続点
を機器外に設け、これを機械的（自動的）に遮断するこ
とで、遮断状態を目視可能にすることができる。 (4) ACモジュールまたは系統の異常発生時に、ACモジュ
ールと系統とを物理的に切り離すことで、発電装置の安
全に保つことができる。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ACモジュール内のインバータを小型化することができ
る。
【００６３】また、異常発生時のACモジュールと系統と
の遮断状態を容易に確認できるようにすることができ
る。
【００６４】また、ACモジュールに故障が発生した際
に、系統とACモジュールとを遮断することができる。
【００６５】さらに、異常や故障発生時、ACモジュール
のプラグをコンセントから抜くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ACモジュールを使用する太陽光発電システムの
構成例を示すブロック図、
【図２】ACモジュールの概観図、
【図３】インバータ3の構成例を示すブロック図、
【図４】接続手段を構成するアダプタ部およびプラグ部
の構成例を示す図、
【図５】ACモジュールと系統（および負荷）との接続例
を示す図、
【図６】太陽光発電装置の別の構成例を示す図、
【図７】太陽光発電装置の別の構成例を示す図、
【図８】第2実施形態にける接続手段の構成例を示す
図、
【図９】第3実施形態におけるインバータの構成例を示
すブロック図、
【図１０】ゼロクロス検出回路および励磁部の構成例を
示すブロック図、
【図１１】駆動信号の出力タイミングを説明するタイミ
ングチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G066 CA08 DA08 HB06 HB07 HB09 5H007 AA05 BB07 CA01 CB04 CB05 CC03 CC12 DA03 DA05 DA06 DB01 DC02 DC05 FA02 FA03 FA14 FA19 GA08 HA03 HA04 5H420 BB12 BB13 CC03 DD03 EA11 EA39 EA40 EA45 EA49 EB16 EB39 FF03 FF04 FF25 KK04 KK06 LL04 LL10

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流電力を交流電力に変換する電力変換
    手段と、 前記電力変換手段の出力を商用電力系統または負荷へ接
    続するための接続手段と、 前記接続手段へ、その接続を解除する信号を供給する信
    号出力手段とを有することを特徴とする発電装置。
  2. 【請求項２】 前記信号出力手段は、直流分の流出、太
    陽電池などの地絡、前記電力変換手段の故障または異
    常、あるいは、前記商用電力系統の異常を検出した場
    合、前記解除信号を出力することを特徴とする請求項1
    に記載された発電装置。
  3. 【請求項３】 前記接続手段は、永久磁石を内蔵し、前
    記商用電力系統または負荷へ接続されたコンセントへ連
    結されるプラグ部、並びに、前記解除信号により駆動さ
    れる電磁石を内蔵し、前記プラグ部と前記電力変換手段
    の出力端とを連結する連結部とを有し、前記解除信号に
    より前記プラグ部と前記連結部とが分離されることを特
    徴とする請求項1または請求項2に記載された発電装置。
  4. 【請求項４】 前記プラグ部と前記連結部との分離は、
    前記永久磁石の磁界と前記電磁石が発生する磁界との反
    発力によって行われることを特徴とする請求項3に記載
    された発電装置。
  5. 【請求項５】 前記接続手段は、永久磁石を内蔵し、前
    記商用電力系統または負荷へ接続されたコンセントへ連
    結されるプラグ部、並びに、前記解除信号により駆動さ
    れるリレー、および、前記リレーを介して交流電力ライ
    ンに接続される直流磁界生成手段を内蔵し、前記プラグ
    部と前記電力変換手段の出力端とを連結する連結部とを
    有し、前記解除信号により前記プラグ部と前記連結部と
    が分離されることを特徴とする請求項1または請求項2に
    記載された発電装置。
  6. 【請求項６】 前記プラグ部と前記連結部との分離は、
    前記永久磁石の磁界と前記直流磁界生成手段が発生する
    磁界との反発力によって行われることを特徴とする請求
    項5に記載された発電装置。
  7. 【請求項７】 前記信号出力手段は、交流電圧の零電圧
    に同期して前記解除信号を出力することを特徴とする請
    求項1から請求項6の何れかに記載された発電装置。
  8. 【請求項８】 前記発電装置は、太陽電池と一体に形成
    されていることを特徴とする請求項1から請求項7の何れ
    かに記載された発電装置。
  9. 【請求項９】 直流電力を交流電力に変換する電力変換
    手段、前記電力変換手段の出力を商用電力系統または負
    荷へ接続するための接続手段、並びに、前記接続手段
    へ、その接続を解除する信号を供給する信号出力手段を
    有する発電装置の制御方法であって、 直流分の流出、太陽電池などの地絡、前記電力変換手段
    の故障または異常、あるいは、前記商用電力系統の異常
    を検出した場合、前記信号出力手段に前記解除信号を出
    力させることを特徴とする制御方法。
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