JP6555471B2 - 太陽光発電用パワーコンディショナ及び太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に連系して給電する太陽光発電システムの最大電力点追従制御技術に関するものである。

太陽光発電システムが大規模になるにつれ、個々の太陽電池の発電状態が均一になることは困難である。
そこで、太陽電池をブロックごとに区切り、ブロック分けされた太陽電池ストリングごとに最大電力を出力させることで、発電効率を高める方法が考えられる。この場合、太陽電池ストリングごとに昇圧チョッパ回路を設け、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）制御を行う従来技術が数多く提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。周知のように、ＭＰＰＴ制御とは、日射量や負荷が要求する電力に応じて変動する太陽電池の出力を最大化するために、太陽電池と負荷とのバランスをとりながら最適なポイントにて動作するように昇圧チョッパ回路等の電流、電圧を制御することをいう。

一例として、図４は、特許文献１に開示されている従来技術の構成図であり、太陽電池ストリングごとに最大電力点追従制御を行う太陽光発電システムを示している。
図４において、１００はパワーコンディショナ、１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃは、それぞれが太陽電池ストリング２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃに接続された出力検出回路、１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃは昇圧チョッパ回路、１１０は制御回路、１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃは最大電力点追従制御回路、１１２は同期制御回路、１２０はインバータ回路、３０１は分電盤、３０２は電力系統、３０３は負荷である。

この従来技術では、最大電力点追従制御回路１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃが、太陽電池ストリング２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃの出力電圧に応じて昇圧チョッパ回路１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃの電圧変換率を制御することにより、太陽電池ストリング２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃの動作点をそれぞれ最大電力点に追従させている。
このため、太陽電池ストリングごとの最大発電電力は、パワーコンディショナに具備される個々の昇圧チョッパ回路の最大変換電力の範囲内となり、このことは、特許文献２においても同様である。

一方、近年の大規模な太陽光発電システムにおいては、パワーコンディショナの容量以上に太陽電池を積み増しする傾向があり、太陽電池ストリングごとの容量が増大している。
このため、個々の太陽電池ストリングの最大発電電力よりも昇圧チョッパ回路の変換電力が低くなる場合が想定され、個々の太陽電池ストリングに対して昇圧チョッパ回路を複数備えるような場合も生じ得る。
この場合、全ての昇圧チョッパ回路においてＭＰＰＴ制御を行うと、複数の昇圧チョッパ回路の制御対象が同一の太陽電池であるため、互いの制御が干渉し、昇圧チョッパ回路の出力が発振する等の理由により、制御精度が低下してしまうという問題がある。

例えば、特許文献３には、上述したようなＭＰＰＴ制御の干渉を回避するための従来技術が開示されている。
図５は、この従来技術を示しており、２１０は太陽電池ストリング、１３０は昇圧装置、１４０はＭＰＰＴ制御回路、１５１Ａ，１５１Ｂは昇圧チョッパ回路である。

この従来技術では、ＭＰＰＴ制御回路１４０から送られた入力インピーダンス制御信号に基づいて、昇圧チョッパ回路１５１Ａ，１５１Ｂが所定の変換電力分担比にて出力するように各チョッパ回路１５１Ａ，１５１Ｂのオン／オフ時比率を決定している。

特開２０１３−１０１４９８号公報（段落［００２５］〜［００２７］、図１，図２等） 特開２０１２−１８１５７５号公報（段落［００１９］，［００２０］、図１等） 特開２００６−３０２１４７号公報（段落［００２４］〜［００３６］、図１〜図３等）

特許文献３に開示された従来技術では、前述した変換電力分担比により、一方のチョッパ回路が出力するべき電力が他方のチョッパ回路の出力に依存する関係にあるため、一方のチョッパ回路が故障した場合に他方の昇圧チョッパ回路の運転が停止してしまうという問題がある。
そこで、本発明の解決課題は、太陽電池ストリングごとに設けられた複数台の昇圧チョッパ回路の相互の干渉を回避してＭＰＰＴ制御の精度を向上させると共に、１台の昇圧チョッパ回路が故障した時にも残りの健全な昇圧チョッパ回路により継続的な運転を可能にしたパワーコンディショナと、このパワーコンディショナを備えた太陽光発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る太陽光発電用パワーコンディショナは、１台の太陽電池ストリングの直流出力電圧が入力され、かつ互いに並列接続された複数台の昇圧チョッパ回路と、前記複数台の昇圧チョッパ回路を制御する制御回路と、を有するチョッパユニットを備え、かつ、前記複数台の昇圧チョッパ回路から出力された直流電圧の加算値を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路を備えた太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、
前記複数台の昇圧チョッパ回路のうちの１台をマスターチョッパ回路に設定して残りの昇圧チョッパ回路をスレーブチョッパ回路に設定し、前記制御回路により、前記マスターチョッパ回路のみが最大電力点追従制御を実行し、前記スレーブチョッパ回路は電流追従制御を実行すると共に、
前記チョッパユニットは、前記マスターチョッパ回路に対するマスター電流指令値と前記スレーブチョッパ回路に対するスレーブ電流指令値とを切り替えて前記マスターチョッパ回路または前記スレーブチョッパ回路に出力するマスター／スレーブ選択手段を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る太陽光発電用パワーコンディショナは、請求項１に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、前記マスター／スレーブ選択手段は、 前記マスターチョッパ回路の故障時に、健全な１台の前記スレーブチョッパ回路を新たなマスターチョッパ回路に設定すると共に当該マスターチョッパ回路に前記マスター電流指令値を出力して運転を継続することを特徴とする。

請求項３に係る太陽光発電用パワーコンディショナは、請求項１に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、前記マスター／スレーブ選択手段は、 前記マスターチョッパ回路及び少なくとも１台の前記スレーブチョッパ回路の故障時に、残りの健全な１台の前記スレーブチョッパ回路を新たなマスターチョッパ回路に設定すると共に当該マスターチョッパ回路に前記マスター電流指令値を出力して運転を継続することを特徴とする。

請求項４に係る太陽光発電用パワーコンディショナは、請求項１〜３の何れか１項に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、前記チョッパユニットを、複数台の前記太陽電池ストリングに対応させて複数台設け、これら複数台の前記チョッパユニットの直流出力電圧を加算して前記インバータ回路に入力したことを特徴とする。

請求項５に係る太陽光発電システムは、請求項１〜４の何れか１項に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおける前記インバータ回路の交流側を、交流電力系統に連系させたことを特徴とする。

本発明によれば、太陽電池ストリングごとに設けられた複数台の昇圧チョッパ回路のうち、１台のみをマスターチョッパ回路としてＭＰＰＴ制御を行うため、同一の太陽電池ストリングに対するＭＰＰＴ制御が互いに干渉するおそれがなく、制御精度を向上させることができる。
また、マスターチョッパ回路の故障時には他のスレーブチョッパ回路が新たなマスターチョッパ回路に切り替わるので、システム全体を停止させずに運転を継続させることができる。更に、太陽電池ストリングに流れる電流を複数台の昇圧チョッパ回路によって常に分担させ、負荷率の偏りを解消して寿命の均一化に寄与することができる。

本発明の実施形態に係る太陽光発電システムの全体構成を示すブロック図である。 図１における昇圧チョッパ回路の電流指令生成手段を示すブロック図である。 図１におけるマスター／スレーブ選択手段の構成を示すブロック図である。 特許文献１に記載された従来技術の全体構成を示すブロック図である。 特許文献３に記載された従来技術の全体構成を示すブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る太陽光発電システムの全体構成を示すブロック図である。図１において、１０Ａ，１０Ｂは太陽電池ストリングであり、これらの太陽電池ストリング１０Ａ，１０Ｂはパワーコンディショナ５０を介して電力系統４０に連系している。

パワーコンディショナ５０は、以下のように構成されている。
すなわち、太陽電池ストリング１０Ａ，１０Ｂにそれぞれ対応させて、チョッパユニット２０Ａ，２０Ｂが設けられている。なお、太陽電池ストリングの数、及び、これに対応するチョッパユニットの台数は、図示例に何ら限定されるものではない。
チョッパユニット２０Ａ，２０Ｂの構成は全く同一であるため、以下ではチョッパユニット２０Ａの構成を説明する。

チョッパユニット２０Ａは、太陽電池ストリング１０Ａの出力電圧、出力電流を検出する出力検出回路２７と、これらの出力が加えられる昇圧チョッパ回路２１〜２３と、ＭＰＰＴ制御回路２４と、電流制御回路２４，２５と、によって構成されている。そして、全ての昇圧チョッパ回路２１〜２３から出力される昇圧後の直流電圧の加算値（直流中間電圧）を、インバータ回路３０により所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電力系統４０に供給するようになっている。昇圧チョッパ回路の台数は３台に限定されず、２台以上であれば良い。
なお、インバータ回路３０の入力電圧には、他方のチョッパユニット２０Ｂの直流出力電圧も加算されている。

昇圧チョッパ回路２１〜２３は、ＭＰＰＴ制御回路２４から送られる信号に従ってＭＰＰＴ制御を行う昇圧チョッパ回路（以下、マスターチョッパ回路という）２１と、電流制御回路２５，２６から送られる信号に従って電流追従制御のみを行う昇圧チョッパ回路（以下、スレーブチョッパ回路という）２２，２３とに分けて設定されている。
ここで、昇圧チョッパ回路の役割（マスターチョッパ回路またはスレーブチョッパ回路）は固定的なものではなく、例えばマスターチョッパ回路に設定された昇圧チョッパ回路の故障時には、それまでスレーブチョッパ回路であった昇圧チョッパ回路をマスターチョッパ回路に設定変更し、ＭＰＰＴ制御回路２４によりＭＰＰＴ制御を行うことが可能である。図１では、昇圧チョッパ回路２１〜２３が何れも故障しておらず、上述したように昇圧チョッパ回路２１をマスターチョッパ回路に設定し、他の昇圧チョッパ回路２２，２３をスレーブチョッパ回路に設定した場合を示している。
昇圧チョッパ回路として、スイッチング素子に小容量のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等を使用したものを用いれば、昇圧チョッパ回路の台数が増えても比較的低コストにて対応可能である。

この実施形態を図４の従来技術と比較すると、この実施形態では、太陽電池ストリング１０Ａ，１０Ｂに対してそれぞれ複数の昇圧チョッパ回路２１〜２３が設けられており、これらの昇圧チョッパ回路２１〜２３のうちの一つを、ＭＰＰＴ制御を行うマスターチョッパ回路として設定する点が相違している。
また、この実施形態を図５の従来技術と比較すると、この実施形態では、入力インピーダンス制御信号が不要であり、各チョッパ回路が他のチョッパ回路の出力に依存することなく独自に運転可能である点が相違している。

図２は、チョッパ電流指令生成手段の一例を示すブロック図である。このチョッパ電流指令生成手段では、図１の出力検出回路２７による太陽電池ストリング１０Ａの出力電圧検出値（以下、ＰＶ電圧検出値Ｖ_ｐｖという）、出力電流検出値（以下、ＰＶ電流検出値Ｉ_ｐｖという）、及び、ＭＰＰＴ制御回路２４から出力される太陽電池ストリング１０Ａの出力電圧指令値（以下、ＰＶ電圧指令値Ｖ_{ｐｖｒｅｆ}という）に基づいて、マスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆ及びスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆを生成する。更に、マスターチョッパ回路２１、スレーブチョッパ回路２２，２３の故障の有無を示すマスター／スレーブ故障信号と、チョッパ回路の役割（マスターまたはスレーブ）を設定するマスター／スレーブ設定信号とを用いて、マスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆ及びスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆをチョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}として所定のチョッパ回路２１〜２３に出力する機能を備えている。

図１，図２には示されていないが、パワーコンディショナ５０には、マスターチョッパ回路２１、スレーブチョッパ回路２２，２３の故障を検出して上記マスター／スレーブ故障信号を生成する手段、及び、所定の昇圧チョッパ回路をマスターチョッパ回路とする（他の昇圧チョッパ回路をスレーブチョッパ回路とする）上記マスター／スレーブ設定信号を生成する手段が設けられている。

図２において、ＭＰＰＴ制御回路２４が生成したＰＶ電圧指令値Ｖ_{ｐｖｒｅｆ}と出力検出回路２７によるＰＶ電圧検出値Ｖ_ｐｖとが加減算器２８ａに入力され、その偏差をなくすように動作するＰＩ（比例積分）調節器２８ｂの出力がマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆとしてマスター／スレーブ選択手段２８ｄに入力されている。
一方、出力検出回路２７によるＰＶ電流検出値Ｉ_ｐｖは図１の電流制御回路２５，２６に入力され、スレーブチョッパ回路２２または２３の電流分担ゲイン２８ｃを乗じた出力がスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆとしてマスター／スレーブ選択手段２８ｄに入力されている。

マスター／スレーブ選択手段２８ｄは、ＰＩ調節器２８ｂから入力されたマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆ、または、電流制御回路２５，２６から入力されたスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆを、マスター／スレーブ故障信号及びマスター／スレーブ設定信号に基づきチョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}として選択し、マスターチョッパ回路２１またはスレーブチョッパ回路２２，２３に出力するように動作する。
ここで、図２における加減算器２８ａ及びＰＩ調節器２８ｂは、ＭＰＰＴ制御回路２４内に設けても良い。なお、マスター／スレーブ選択手段２８ｄは、便宜上、図１では省略してある。

次に、図３は、マスター／スレーブ選択手段２８ｄを示すブロック図である。
図３において、マスターチョッパ回路２１の故障を示すマスター故障信号(21)は、アンドゲート２８１，２８３の各一方の入力端子に入力されている。また、スレーブチョッパ回路２２の故障を示すスレーブ故障信号(22)は、アンドゲート２８１の他方の入力端子に入力されている。更に、アンドゲート２８１の出力信号は、アンドゲート２８２，２８４の各一方の入力端子に入力され、アンドゲート２８２の他方の入力端子には、スレーブチョッパ回路２３の故障を示すスレーブ故障信号(23)が入力されている。

前記アンドゲート２８３の他方の入力端子には、スレーブチョッパ回路２２をマスターチョッパ回路に切り替える時に生成されるスレーブ設定信号(22)が入力されている。また、マスターチョッパ回路２１の設定時（昇圧チョッパ回路２１をマスターチョッパ回路に設定した時）に生成されるマスター設定信号(21)がオアゲート２８５に入力され、このオアゲート２８５には、アンドゲート２８３の出力信号も入力されている。
更に、アンドゲート２８４の他方の入力端子には、スレーブチョッパ回路２３をマスターチョッパ回路に切り替える時に生成されるスレーブ設定信号(23)が入力され、アンドゲート２８４の出力信号は前記オアゲート２８５に入力されている。

そして、オアゲート２８５から出力される論理「１」または「０」の選択信号がスイッチ部２８６に入力され、選択信号が「１」の時にはマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆが選択されてチョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}となり、選択信号が「０」の時にはスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆが選択されてチョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}となる。
なお、マスター故障信号(21)、スレーブ故障信号(22)，(23)は、故障時に論理「１」となり、健全時に論理「０」となる。また、マスター設定信号(21)、スレーブ設定信号(22)，(23)は、設定時に論理「１」となり、非設定時に論理「０」となる。
昇圧チョッパ回路（スレーブチョッパ回路）の台数が増えた場合には、図３におけるアンドゲート２８２の下段及びアンドゲート２８４の下段にそれぞれアンドゲートを増設し、増設されたスレーブチョッパ回路のスレーブ故障信号、スレーブ設定信号を、増設されたアンドゲートにそれぞれ入力すれば良い。

次いで、図３を参照しつつ、マスター／スレーブ選択手段２８ｄの動作を説明する。
マスターチョッパ回路２１及びスレーブチョッパ回路２２，２３が全て健全である場合、アンドゲート２８３，２８４の出力は「０」であるため、マスター設定信号(21)が「１」になると、オアゲート２８５から出力される選択信号は「１」となる。これにより、スイッチ部２８６がマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆを選択してチョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}をマスターチョッパ回路２１に送出する。

こうしてマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆの設定が終了したら、マスター設定信号(21)は「０」となり、オアゲート２８５から出力される選択信号は「０」となる。これにより、スイッチ部２８６がスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆを選択してチョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}をスレーブチョッパ回路２２，２３に送出する。スレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆはスレーブチョッパ回路２２，２３のそれぞれについて図２の電流分担ゲイン２８ｃに応じて生成されているので、チョッパ回路２２用のスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆと、チョッパ回路２３用のスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆとの判別は容易である。

次に、例えばマスターチョッパ回路２１が故障した場合は、図３のマスター故障信号(21)が「１」になってアンドゲート２８１，２８３に入力される。
マスターチョッパ回路２１の故障時には、例えばスレーブチョッパ回路２２をマスターチョッパ回路に変更するルールを予め決めておけば、マスターチョッパ回路２１の故障と同時にスレーブ設定信号(22)が「１」となる。このため、オアゲート２８５の選択信号が「１」になってマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆが選択され、チョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}として新たなマスターチョッパ回路、すなわち、従前のスレーブチョッパ回路２２に送出される。この場合、スレーブチョッパ回路２３の役割や電流指令値は従前通りである。

同様にして、マスターチョッパ回路２１及びスレーブチョッパ回路２２が故障した場合には、スレーブ設定信号(23)が「１」となるため、オアゲート２８５の選択信号が「１」になってマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆが選択され、チョッパ電流指令値Ｉ_{ｃｈｏｐｒｅｆ}として新たなマスターチョッパ回路、すなわち、従前のスレーブチョッパ回路２３に送出される。この場合、更に別の昇圧チョッパ回路がある場合には、それらをスレーブチョッパ回路として運転すれば良い。

以上をまとめれば、この実施形態においては、１台の昇圧チョッパ回路が故障した場合、下記の何れかの方法により残りの健全な昇圧チョッパ回路により運転を継続することができる。
（１）マスターチョッパ回路が故障した場合
残りのスレーブチョッパ回路のうち１台をマスターチョッパ回路とし、残りのスレーブチョッパ回路はそのままとして運転を継続する。
（２）スレーブチョッパ回路が故障した場合
マスターチョッパ回路と残りのスレーブチョッパ回路との関係を維持したまま、運転を継続する。

上記のように、この実施形態によれば、太陽電池ストリングごとに設けられた複数台の昇圧チョッパ回路のうち、１台のみをマスターチョッパ回路に設定してマスター電流指令値Ｉ_ｍｒｅｆに基づきＭＰＰＴ制御を行い、他の昇圧チョッパ回路は、スレーブチョッパ回路としてスレーブ電流指令値Ｉ_ｓｒｅｆに基づき電流追従制御を行う。このため、各チョッパ回路により同一の太陽電池ストリングに対するＭＰＰＴ制御が互いに干渉するような問題は発生しない。
また、マスターチョッパ回路が故障したとしても、他のスレーブチョッパ回路が新たなマスターチョッパ回路に切り替わることにより、システム全体を停止させずに運転を継続させることができる。

本発明は、任意の複数台の昇圧チョッパ回路を備えたパワーコンディショナ及び太陽光発電システムに利用することができる。また、パワーコンディショナとしては、１台のチョッパユニットのみを有するもの、複数台のチョッパユニットを有するもの、の何れに対しても適用可能である。

１０Ａ，１０Ｂ：太陽電池ストリング
２０Ａ，２０Ｂ：チョッパユニット
２１，２２，２３：昇圧チョッパ回路
２４：ＭＰＰＴ制御回路
２５，２６：電流制御回路
２７：出力検出回路
２８ａ：加減算器
２８ｂ：ＰＩ調節器
２８ｃ：電流分担ゲイン
２８ｄ：マスター／スレーブ選択手段
２８１〜２８４：アンドゲート
２８５：オアゲート
２８６：スイッチ部
３０：インバータ回路
４０：電力系統
５０：パワーコンディショナ

Claims (5)

1. １台の太陽電池ストリングの直流出力電圧が入力され、かつ互いに並列接続された複数台の昇圧チョッパ回路と、前記複数台の昇圧チョッパ回路を制御する制御回路と、を有するチョッパユニットを備え、かつ、前記複数台の昇圧チョッパ回路から出力された直流電圧の加算値を所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路を備えた太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、
   前記複数台の昇圧チョッパ回路のうちの１台をマスターチョッパ回路に設定して残りの昇圧チョッパ回路をスレーブチョッパ回路に設定し、前記制御回路により、前記マスターチョッパ回路のみが最大電力点追従制御を実行し、前記スレーブチョッパ回路は電流追従制御を実行すると共に、
   前記チョッパユニットは、前記マスターチョッパ回路に対するマスター電流指令値と前記スレーブチョッパ回路に対するスレーブ電流指令値とを切り替えて前記マスターチョッパ回路または前記スレーブチョッパ回路に出力するマスター／スレーブ選択手段を備えたことを特徴とする太陽光発電用パワーコンディショナ。
2. 請求項１に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、
   前記マスター／スレーブ選択手段は、 前記マスターチョッパ回路の故障時に、健全な１台の前記スレーブチョッパ回路を新たなマスターチョッパ回路に設定すると共に当該マスターチョッパ回路に前記マスター電流指令値を出力して運転を継続することを特徴とする太陽光発電用パワーコンディショナ。
3. 請求項１に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、
   前記マスター／スレーブ選択手段は、 前記マスターチョッパ回路及び少なくとも１台の前記スレーブチョッパ回路の故障時に、残りの健全な１台の前記スレーブチョッパ回路を新たなマスターチョッパ回路に設定すると共に当該マスターチョッパ回路に前記マスター電流指令値を出力して運転を継続することを特徴とする太陽光発電用パワーコンディショナ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおいて、
   前記チョッパユニットを、複数台の前記太陽電池ストリングに対応させて複数台設け、これら複数台の前記チョッパユニットの直流出力電圧を加算して前記インバータ回路に入力したことを特徴とする太陽光発電用パワーコンディショナ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した太陽光発電用パワーコンディショナにおける前記インバータ回路の交流側を、交流電力系統に連系させたことを特徴とする太陽光発電システム。

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