JP2017143688A - インタフェース装置、パワーコンディショナ及び電源接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単相インバータと、一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子とを接続する小型、軽量且つ安価なインタフェース装置を提供する。【解決手段】単相インバータ３と、一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２及び中性線端子Ｎを備えた単相３線式の交流端子と、を接続するインタフェース装置であって、前記単相インバータ３の一対の交流出力端子７Ａ，７Ｂと前記一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２とを接続する一対の接続部８Ａ，８Ｂと、前記一対の接続部８Ａ，８Ｂ間に接続されるリアクトルＬと、前記リアクトルＬの中点Ｌｃを前記中性線端子Ｎに接続する中点接続部８Ｃと、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、単相インバータと単相３線式の交流端子とを接続するインタフェース装置、パワーコンディショナ及び電源接続方法に関する。

特許文献１には、自立運転時であっても、連系運転時と同様に太陽電池が発電し得る電力を最大限有効利用することが可能な太陽光発電用パワーコンディショナを提供することを目的とするパワーコンディショナが開示されている。

図６に示すように、当該パワーコンディショナは、単相３線出力用のインバータとして３相インバータを備え、系統との連系運転時にはインバータの中性相生成用スイッチング素子を停止させると共に、中性相生成用スイッチング素子に連なる中性相出力線以外の残りの２本の出力線からＡＣ２００Ｖの交流電圧を出力して電力系統に電力を供給するようにインバータを制御し、自立運転時には中性相生成用スイッチング素子を駆動してＡＣ１００Ｖの交流電圧を自立用負荷に出力するようにインバータを制御する制御部を備えて構成されている。

図７に示すように、特許文献２には、単相３線出力用のインバータとしてＡＣ２００Ｖの交流電圧を出力する単相インバータを備え、自立運転時に単相インバータから出力されるＡＣ２００Ｖの交流電圧をセンタタップ付のトランスを介して単層３線式に変換して自立用負荷に給電するインタフェース回路が開示されている。尚、図６，７に付された符号は、以下に説明する実施形態で用いる符号と対応するものではなく関連性はない。

特開２００３−１８８５９号公報 特開２０１５−８０３７６号公報

従来のパワーコンディショナは、系統と連系することを主目的に構成され、系統との連系運転中に単独運転を検知すると、系統から解列して単相２線式の自立系の負荷に例えばＡＣ１００Ｖの交流電力を給電するように構成されていた。

しかし、天災地変等の様々な要因で系統の発電能力が低下し、地域的に数時間停電するような事態の発生や、系統からの給電が困難となる事態の発生等を想定すると、系統電源の状態とは独立して例えば構内の分電盤に構築された単相３線式の交流系統に接続される負荷にパワーコンディショナから電力を供給することが望まれる。

特許文献１に開示されたような３相インバータを備えると、自立運転時に中性相生成用スイッチング素子を駆動して単相３線出力のインバータとしてインバータを制御することにより、単相３線式の交流端子と容易に接続できるようになる。

しかし、そのために系統連系時に使用しない中性相生成用スイッチング素子を組み込んだインバータを採用すると、インバータの初期コストが嵩みコストパーフォーマンスが低下するという問題があった。

また、特許文献２に記載されたようなセンタタップ付のトランスを用いると、低周波用のトランスであるために大型化して重量が嵩むとともに、パワーコンディショナの装置コストも嵩み、さらに大型化により設置態様が制限されるという問題もあった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、単層インバータと、一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子とを接続する小型、軽量且つ安価なインタフェース装置、パワーコンディショナ及び電源接続方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるインタフェース装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、単相インバータと、一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子と、を接続するインタフェース装置であって、前記単相インバータの一対の交流出力端子と前記一対の電圧線端子とを接続する一対の接続部と、前記一対の接続部間に接続されるリアクトルと、前記リアクトルの中点を前記中性線端子に接続する中点接続部と、を備えている点にある。

単相インバータの一対の交流出力端子が一対の接続部を介して単相３線式の一対の電圧線端子と接続され、一対の接続部間にリアクトルの両端が接続され、そのリアクトルの中点が中点接続部を介して単相３線式の交流端子の中性線端子に接続されるので、単相３線式の交流端子の各電圧線端子と中性線端子との間に単相インバータの出力電圧の１／２の交流電圧が印加されるようになる。このようなリアクトルを用いれば、小型且つ軽量で安価に単相２線式の交流出力端子を単相３線式に変換することができるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記リアクトルがセンタタップ付のリアクトルで構成され、前記センタタップが前記中点接続部に接続されている点にある。

リアクトルとしてセンタタップ付の単一のリアクトルを採用すると、シンプルでより一層の小型化を図ることができるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記リアクトルが少なくとも二つのリアクトルを直列接続した直列リアクトル回路で構成され、前記直列リアクトル回路の両端が前記一対の接続部間に接続され、前記直列リアクトル回路のリアクトル同士の接続点が前記中点接続部に接続されている点にある。

リアクトルとして直列接続された少なくとも二つのリアクトルを採用することも可能である。この場合、リアクトル同士の接続点が中点接続部を介して交流端子の中性線端子と接続される。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記単相３線式の交流端子が構内の分電盤に設けられている点にある。

構内の分電盤に設けられた単相３線式の交流端子と２相インバータとをインタフェース装置を介して互いに接続することができるようになり、このような構成により単相インバータから出力される単相２線式交流電力を分電盤に設けられた単相３線式に接続された交流負荷に供給することができる。

本発明によるパワーコンディショナの特徴構成は、同請求項５に記載した通り、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナに単相インバータが組み込まれ、上述した第一から第四の何れかの特徴構成を備えたインタフェース装置を介して単相３線式の交流端子と接続される自立出力を備えている点にある。

小型、軽量且つ安価なインタフェース装置を用いて、単相２線式の自立出力から単相３線式の負荷に給電することができるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記リアクトルの中点が前記パワーコンディショナのグランド端子に接続されている点にある。

パワーコンディショナが自立運転をする際に、リアクトルの中点が接続されるパワーコンディショナのグランド端子を介して交流端子の中性線端子を接地状態にできる。

本発明による電源接続方法の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、単相インバータと、一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子とを接続する電源接続方法であって、前記単相インバータの一対の交流出力端子または前記一対の電圧線端子間にリアクトルを接続する第一工程と、前記リアクトルの中点を前記中性線端子に接続する第二工程と、前記一対の交流出力端子と前記一対の電圧線端子とを接続する第三工程と、を備えている点にある。

第一工程で、単相インバータの一対の交流出力端子または前記一対の電圧線端子間にリアクトルが接続され、第二工程でリアクトルの中点が中性線端子に接続され、さらに第三工程で一対の交流出力端子と一対の電圧線端子とが接続されることにより単層２線式電圧が単相３線式電圧に変換される。

以上説明した通り、本発明によれば、単層インバータと一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子とを接続する小型、軽量且つ安価なインタフェース装置、パワーコンディショナ及び電源接続方法を提供することができるようになった。

太陽電池発電装置と自立系負荷とを接続するインタフェース装置の説明図 （ａ），（ｂ）はセンタタップ付のリアクトルを用いたインタフェース装置の説明図 （ａ），（ｂ）は直列接続されたリアクトルを用いたインタフェース装置の説明図 系統電源に接続された負荷に自立出力から給電する場合のインタフェース装置の説明図 制御フローチャート 従来のパワーコンディショナを含んだ太陽光発電システムの構成図 従来の電力供給システムの構成を示すブロック図

以下、本発明によるインタフェース装置、パワーコンディショナ及び電源接続方法を図面に基づいて説明する。
図１には、分散型電源の一例である太陽電池発電装置１が示されている。太陽電池発電装置１は、複数の太陽電池パネルＳＰと、太陽電池パネルＳＰが接続されたパワーコンディショナＰＣを備えて構成され、系統連系リレーＲｙ１及び交流側フィルタ９０を介して単相３線式の系統電源１００に接続可能に構成されている。

パワーコンディショナＰＣは、互いに並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータ２と、各ＤＣ／ＤＣコンバータ２から出力された直流電力を交流電力に変換する単相インバータ（以下、単に「インバータ」とも記す。）３と、インバータ３をＰＷＭ制御するインバータ制御部５と、インバータ３の出力から高調波を除去するＬＣフィルタ４と、インバータ制御部５等の作動条件等を設定する操作部６等を備えている。

インバータ制御部５及び各ＤＣ／ＤＣコンバータ２に組み込まれたコンバータ制御部（図示せず）は、それぞれマイクロコンピュータ及びメモリや入出力素子を含む周辺回路を備えて構成されている。

各ストリングを構成する太陽電池パネルＳＰはそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続され、太陽電池パネルＳＰで発電された直流電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２で所定の直流リンク電圧Ｖｄｃに昇圧され、さらに系統電源１００と連系するようにインバータ３によって所定の周波数及び電圧値の交流電力、例えば５０Ｈｚ，ＡＣ２００Ｖの交流電力に変換される。

インバータ制御部５には、電流センサとして機能する電流トランスＣＴによって検出されたインバータ３の出力電流が入力されるとともに、系統連系リレーＲｙ１よりも系統電源１００側に配置され、系統電圧センサとして機能するトランスＶＴによって検出された系統電圧が入力されている。

インバータ制御部５は、系統連系時に系統連系リレーＲｙ１を閉成して、電流センサにより検知された出力電流及び系統電圧センサにより検出された系統電圧に基づいてインバータ３をＰＷＭ制御して系統に逆潮流するように構成され、同時に系統の停電等を検出する単独運転検知を行ない、単独運転状態と検知すると系統連系リレーＲｙ１を開成して系統から解列するように構成されている。

さらに、パワーコンディショナＰＣはインバータ３の出力電圧を系統電源とは異なる自立系の負荷に供給する自立出力端子７Ａ，７Ｂを備えている。当該自立出力端子７Ａ，７Ｂから本発明のインタフェース装置ＩＦを介して自立系の負荷に給電可能に構成されている。

インタフェース装置ＩＦは、ＬＣフィルタ４を含む単相インバータ３の交流出力端子７Ａ，７Ｂと、一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２及び中性線端子Ｎを備えた単相３線式の交流端子を接続するインタフェース装置である。

当該インタフェース装置ＩＦは、単相インバータ３の一対の交流出力端子７Ａ，７Ｂと一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２とを接続する一対の接続部８Ａ，８Ｂと、一対の接続部８Ａ，８Ｂ間に接続されるリアクトルＬと、リアクトルＬの中点Ｌｃを中性線端子Ｎに接続する中点接続部８Ｃと、を備えている。

図２（ａ）に示すように、インタフェース装置ＩＦの接続部８Ａには、交流出力端子７Ａと電圧線端子Ｌ１を導通する接点Ｃ１が設けられ、接続部８Ｂには、交流出力端子７Ｂと電圧線端子Ｌ２を導通する接点Ｃ２が設けられていることが好ましい。

当該接点Ｃ１，Ｃ２が閉じられることにより、単相インバータ３の交流出力端子７Ａ，７Ｂから出力される単相２線式の電圧が単相３線式の電圧に変換されて、単相３線式の給電線に接続された負荷に給電可能になる。

このような構成を採用すると、インバータ制御部５によって制御され、系統連系時にインバータ３から出力される所定の周波数及び電圧値の交流電力と、自立運転時にインバータ３から出力される周波数及び電圧値を同じ値に設定することができるようになる。

リアクトルＬとしてセンタタップ付のリアクトルＬを用いることが好ましく、センタタップがリアクトルＬの中点Ｌｃとなり、当該中点Ｌｃが中点接続部８Ｃに接続されている。

図２（ａ）では、接点Ｃ１，Ｃ２がインバータ３からの交流出力端子７Ａ，７Ｂ側に設けられているが、図２（ｂ）に示すように、接点Ｃ１，Ｃ２が単相３線式の交流端子Ｌ１，Ｌ２側に設けられていてもよい。この場合、中点接続部８Ｃにも接点Ｃ３を設ければよい。

図２（ａ），（ｂ）では、リアクトルＬがセンタタップ付のリアクトルＬである場合を説明したが、リアクトルＬは少なくとも二つのリアクトルＬＡ，ＬＢを直列接続した直列リアクトル回路で構成されていてもよい。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、直列リアクトル回路の両端が一対の接続部８Ａ，８Ｂ間に接続され、直列リアクトル回路を構成するリアクトルＬＡ，ＬＢ同士の接続点Ｌｃが中点接続部８Ｃに接続されていればよい。

直列リアクトル回路は少なくとも同じインダクタンス値の２つのリアクトルの直列回路で構成されていればよいが、それ以上の数のリアクトルの直列回路で構成されていてもよい。但し、中点接続部８Ｃに接続される接続点Ｌｃがリアクトルの直列回路に印加される電圧の略１／２となるように各インダクタンス値が調整されている必要がある。

接点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、例えば機械接点式のリレー回路で構成することができ、さらには半導体スイッチで構成することもできる。

この様なインタフェース装置ＩＦを備えることにより、大型で重量のあるセンタタップ付のトランスを用いることなく、小型、軽量且つ安価に自立出力端子７Ａ，７Ｂから、系統電源とは異なる単相３線式の自立系の負荷に、電力を供給することができるようになる。

例えば、操作部６に系統電源と連系運転するモードと、自立運転するモードを切り替える切替操作部を設けて、何れのモードで運転するのかを設定できるように構成すればよい。

図１から図３で説明したインタフェース装置ＩＦは、パワーコンディショナＰＣの筐体内部に組み込まれていてもよいし、パワーコンディショナＰＣの外部に設置されていてもよい。また、インタフェース装置ＩＦの一部がパワーコンディショナＰＣの筐体内部に組み込まれていてもよい。

例えば、図２（ａ）や図３（ａ）に示す接点Ｃ１，Ｃ２を構成する部分がパワーコンディショナＰＣの筐体内部に組み込まれていてもよいし、図２（ｂ）や図３（ｂ）に示すリアクトルＬ部分がパワーコンディショナＰＣの筐体内部に組み込まれていてもよい。

図２，３に示したインタフェース装置ＩＦには、リレー等で構成される接点Ｃ１，Ｃ２或いは接点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を備えた構成を説明したが、本発明によるインタフェース装置ＩＦは、図１に示したように、単相インバータ３の一対の交流出力端子７Ａ，７Ｂと一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２とを接続する一対の接続部８Ａ，８Ｂと、一対の接続部８Ａ，８Ｂ間に接続されるリアクトルＬと、リアクトルＬの中点Ｌｃを中性線端子Ｎに接続する中点接続部８Ｃと、を備えていればよく、必ずしも接点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を備えている必要はない。

インタフェース装置ＩＦを介して自立出力端子７Ａ，７Ｂと接続される単相３線式の交流端子が、構内の分電盤に設けられていてもよい。この場合に、系統電源の単相３線式の交流端子とは分離して設置されていればよい。

また、系統電源の単相３線式の交流端子と共用可能に構成されていてもよい。この場合には、系統電源の停電時に系統電源に接続されている交流負荷に自立出力端子７Ａ，７Ｂから給電することができる。

図４には、このような場合の系統電源１００と太陽光発電装置１との接続関係が示されている。三本の架空線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３で構成される高圧配電線によって６，６００Ｖの三相交流電力が送電され、需要家の近傍の配電柱に設置された柱上変圧器１０１に高圧配電線の内の１相分の２本の架空線Ｗ１，Ｗ３から電力が入力される。

柱上変圧器１０１で６，６００Ｖの電圧が２００Ｖの単相電圧に降圧され、２００Ｖの中間のタップが中性線として取り出され、相線と中性線との間で１００Ｖ、相線間で２００Ｖの電圧が得られる。中性線は配電柱の近くで、中性線接地極と接続されて接地されている。

柱上変圧器１０１の出力が配電柱に架設された低圧配電線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３に出力され、低圧引き込み線Ｎ１１，Ｎ１２，Ｎ１３を経由して需要家の構内の分電盤１０２に構成された主回路１０４に主幹漏電遮断器１０３等を介して接続されている。

主回路１０４にはブレーカＣＢを介して給電線１０５が接続され、各給電線１０５から構内負荷Ｌｏａｄに電力が供給されるように構成されている。低圧引き込み線Ｎ１１，Ｎ１２，Ｎ１３が接続された主幹漏電遮断器１０３の出力側に設けられる端子が一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２及び中性線端子Ｎを備えた単相３線式の交流端子となる。尚、低圧引き込み線には買電用電力量計Ｗｈ１と売電用電力量計Ｗｈ２が接続されている。

上述したパワーコンディショナＰＣと単相３線式の交流端子とは、系統連系リレーＲｙ１または本発明のインタフェース装置ＩＦを介して接続される。系統連係時にはインバータ３の交流出力端子と一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２とが系統連系リレーＲｙ１を介して接続され、自立運転時にはインバータ３の交流出力端子と一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２及び中性線端子Ｎがインタフェース装置ＩＦを介して接続される。

従って、接点Ｃ１，Ｃ２が閉じられると単相インバータ３の出力電圧が単相３線式の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２に印加されるようになる。さらに、リアクトルＬの中点Ｌｃが中性線端子Ｎに接続されるので、単相３線式の交流端子の各電圧線端子と中性線端子との間に単相インバータの出力電圧の１／２の交流電圧が印加されるようになる。

この様な構成を採用する場合には、インバータ制御部５は系統連係時に系統電圧と整合するように単相インバータ３の電圧、電流及び周波数を制御するとともに、例えばスリップモード周波数シフト方式や無効電力変動方式を採用した単独運転検知制御を行ない、自立運転時には系統電圧と同じ電圧及び周波数の交流電力が出力されるように単相インバータ３を制御するように構成されていればよい。

インタフェース装置ＩＦに備えたリアクトルＬの中点Ｌｃがパワーコンディショナのグランド端子に接続されていることが好ましく、パワーコンディショナが系統と解列して自立運転をする際に主幹漏電遮断器１０３が開成された状態で、リアクトルの中点がパワーコンディショナのグランド端子を介して交流端子の中性線端子Ｎを接地状態に維持できるようになる。

図５にはインバータ制御部５により実行される系統連系から自立運転までの運転切替動作の制御フローが示されている。

インバータ制御部５は、系統から適正に電力が供給され太陽光パネルから発電電力が供給されている通常時には系統連系リレーＲｙ１を閉成して（Ｓ１）、系統連系運転モードでインバータ３を制御する（Ｓ２）。

インバータ制御部５は、系統連系運転モードでの運転中に単独運転検知を行ない（Ｓ３）、単独運転状態が検知されない場合には系統連系運転モードを継続し（Ｓ３，Ｎ）、単独運転状態と検知すると（Ｓ３，Ｙ）、系統連系リレーＲｙ１を開成して系統から解列する（Ｓ４）。

インバータ制御部５は、その後、自立運転モードに切り替えて２相インバータ３を制御し（Ｓ５）、立上ると接点Ｃ１，Ｃ２を閉じる（Ｓ６）。これにより、インタフェース装置ＩＦを介して単相３線式交流電圧に変換され、分電盤に接続された構内負荷に交流電力が給電されるようになる（Ｓ７）。尚、インバータ制御部５は接点Ｃ１，Ｃ２を閉じる前に、主幹漏電遮断器１０３または主幹漏電遮断器１０３に直列に接続された遮断機を遠隔操作によりオフするように構成することが好ましい。

単相インバータ３と単相３線式の交流端子Ｌ１，Ｌ２，Ｃとをこのようなインタフェース装置ＩＦを用いて接続する電源接続方法は、単相インバータ３の一対の交流出力端子７Ａ，７Ｂまたは一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２間にリアクトルＬを接続する第一工程と、リアクトルＬの中点Ｌｃを中性線端子Ｎに接続する第二工程と、一対の交流出力端子７Ａ，７Ｂと一対の電圧線端子Ｌ１，Ｌ２とを接点Ｃ１，Ｃ２を介して接続する第三工程とで構成される。

地域ごとに時間帯を決めて順番に停電する計画停電等が予定されるような場合、インバータ制御部５は、自立運転モードに切り替えた後の系統の復電時刻になると、自立運転モードを脱して系統連系モードで作動するように構成されていることが好ましい。そのような計画停電スケジュールを入力する入力部と、入力された計画停電スケジュールを記憶する記憶部と、記憶部に記憶された計画停電スケジュールに基づいて系統連系モードと自立運転モードを切り替える運転モード切替部をインバータ制御部５に備えることがより好ましい。

上述した実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明が上述した具体例に限定されるものではなく、本発明の作用効果を奏する範囲において各回路ブロックの具体的構成等を適宜変更設計できることは言うまでもない。

１：分散型電源（太陽電池発電装置）
２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ（単相インバータ）
４：ＬＣフィルタ
５：インバータ制御部
６：操作部
１００：系統電源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：接点
ＩＦ：インタフェース装置
ＰＣ：パワーコンディショナ
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２：リアクトル
Ｌｃ：中点（センタタップ）
Ｒｙ１：連系リレー
ＳＰ：太陽電池パネル

Claims (7)

1. 単相インバータと、一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子と、を接続するインタフェース装置であって、
   前記単相インバータの一対の交流出力端子と前記一対の電圧線端子とを接続する一対の接続部と、
   前記一対の接続部間に接続されるリアクトルと、
   前記リアクトルの中点を前記中性線端子に接続する中点接続部と、
   を備えているインタフェース装置。
2. 前記リアクトルがセンタタップ付のリアクトルで構成され、前記センタタップが前記中点接続部に接続されている請求項１記載のインタフェース装置。
3. 前記リアクトルが少なくとも二つのリアクトルを直列接続した直列リアクトル回路で構成され、前記直列リアクトル回路の両端が前記一対の接続部間に接続され、前記直列リアクトル回路のリアクトル同士の接続点が前記中点接続部に接続されている請求項１記載のインタフェース装置。
4. 前記単相３線式の交流端子が構内の分電盤に設けられている請求項１から３の何れかに記載のインタフェース装置。
5. 直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナに単相インバータが組み込まれ、請求項１から４の何れかに記載のインタフェース装置を介して単相３線式の交流端子と接続される自立出力を備えているパワーコンディショナ。
6. 前記リアクトルの中点が前記パワーコンディショナのグランド端子に接続されている請求項５記載のパワーコンディショナ。
7. 単相インバータと、一対の電圧線端子及び中性線端子を備えた単相３線式の交流端子とを接続する電源接続方法であって、
   前記単相インバータの一対の交流出力端子または前記一対の電圧線端子間にリアクトルを接続する第一工程と、
   前記リアクトルの中点を前記中性線端子に接続する第二工程と、
   前記一対の交流出力端子と前記一対の電圧線端子とを接続する第三工程と、
   を備えている電源接続方法。
   

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