JP6770460B2 - 直流送電システムおよび制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、直流送電システムおよび制御装置に関する。

直流送電では、交流送電と比較して安定度を考慮する必要がないという利点を有する。直流送電では、送電線の熱容量まで電力を送電できるという利点もある。このため、長距離で大容量の送電の場合等に、直流送電が用いられている。

直流送電線は、外部環境の影響により断線することがある。たとえば、送電線は、倒壊した樹木の接触によって断線することがある。送電線が海底ケーブルの場合には、船舶の碇や漁具との接触、サメに噛まれる、海底地震等によって断線することが考えられる。

直流送電線の断線事故を生じた場合には、断線事故の検出が遅れると、充電された送電線により、２次被害として短絡事故や人的または物的事故につながるおそれがある。

特公昭６３−０６１８５３号公報

実施形態は、直流送電線の断線を検出して断線検出信号を生成する直流送電システムおよび制御装置を提供する。

実施形態に係る直流送電システムは、第１電力指令値が所定のしきい値よりも低い場合に、時間的に変化する監視信号を前記第１電力指令値に加算して第２電力指令値として用いて制御信号を生成し自励式電力変換器を制御する制御装置と、前記第１電力指令値が前記所定のしきい値よりも低い場合に、直流送電線の両端の電圧のうち少なくとも一方の電圧値または前記直流送電線に流れる電流値にもとづいて、前記直流送電線が断線したことを示す断線検出信号を生成する断線検出器と、を備える。

第１の実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。 自励式電力変換器を例示する回路図である。 第１の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 図６（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図６（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。 第２の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 第２の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 図９（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図９（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。 第３の実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。 第３の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 図１２（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図１２（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 第４の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 第４の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 第４の実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。 図１６（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図１６（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。 第５の実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。 直流送電システムを構成する電力変換器を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態が適用される電力系統は、交流系統ＡＳ１、交流系統ＡＳ２、および直流系統ＤＳ１である。交流系統ＡＳ１，ＡＳ２は、交流電力を供給する電力系統である。交流系統ＡＳ１および交流系統ＡＳ２は、いずれも送電側、受電側となることができる。交流系統ＡＳ１，ＡＳ２を構成する要素としては、電源、負荷および交流送電線等がある。

たとえば、交流系統ＡＳ１，ＡＳ２を、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電源、負荷および交流送電線を含む構成とすることができる。交流送電線は、距離の長短や材質等に応じたインピーダンスを有する。また、たとえば、交流系統ＡＳ１，ＡＳ２を、上述したような電源のみにより構成することもできる。

直流系統ＤＳ１は、直流電力を供給する電力系統であり、直流送電線３等を含む。直流送電線３は、距離の長短や材質等に応じた線路抵抗を有する。本実施形態の直流送電システム１００は、この直流系統ＤＳ１に設けられている。

直流送電システム１００は、交流系統ＡＳ１，ＡＳ２と直流系統ＤＳ１との連系を行う複数の装置を含む。直流送電システム１００は、制御装置２０ａ，２０ｂと、断線検出器４０と、を備える。直流送電システム１００は、制御装置２０ａ，２０ｂによってそれぞれ制御される電力変換器１０ａ，１０ｂを含む。直流送電システム１００は、直流断路器４ａ，４ｂと、電圧検出器６１ａ，６１ｂと、をさらに含む。

制御装置２０ａ，２０ｂは、それぞれ電力変換器１０ａ，１０ｂに接続されている。制御装置２０ａ，２０ｂは、たとえば、通信ネットワーク５を介して融通電力指令値Ｐｄｐ＊、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊および制御端子切替信号Ｄｔを供給され、これらにしたがって動作する。

断線検出器４０は、電圧検出器６１ａ，６１ｂによって検出された電力変換器１０ａ，１０ｂの直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２を入力して、直流送電線３の断線の有無を判定する。断線検出器４０は、直流送電線３が断線していると判定した場合には、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。電圧検出器６１ａ，６１ｂは、直流送電線３の両端、つまり、電力変換器１０ａ，１０ｂのそれぞれの直流端子に接続されている。

たとえば、断線検出信号Ｄｄは、通信ネットワーク５を介して、制御装置２０ａ，２０ｂの上位に設けられた、図示しない主幹制御装置に送信され、主幹制御装置は、直流送電線３が断線した場合の手順を実行する。直流送電線３の断線の手順の１つは、たとえば直流送電線３に直列に接続された直流断路器４ａ，４ｂによって回路を開く等する。

電力変換器１０ａ，１０ｂは、交流電力と直流電力とを相互に変換することにより、系統を連系する。本実施形態では、電力変換器１０ａ，１０ｂは、電圧型の自励式変換器である。電圧型の電力変換器は、直流側に挿入されたコンデンサを電圧源として、供給する電圧を制御する。自励式の電力変換器は、自己消弧型素子のオン、オフのタイミングを調整することにより、所定の有効電力の出力を制御する。また、自励式の電力変換器は、自己消弧型素子のオン、オフのタイミングを調整することにより、無効電力を制御することもできる。自励式の電力変換器では、有効電力の制御とは独立に無効電力を制御することが可能である。

電力変換器１０ａは、交流系統ＡＳ１と直流系統ＤＳ１との間に接続されている。電力変換器１０ｂは、直流系統ＤＳ１と交流系統ＡＳ２との間に接続されている。電力変換器１０ａ，１０ｂは、順変換器としても逆変換器としても機能する。つまり、直流送電システム１００は、交流系統ＡＳ１と交流系統ＡＳ２との間を、直流系統ＤＳ１を介して双方向に電力を融通する。

順変換器は、交流電力を直流電力に変換する。逆変換器は、直流電力を交流電力に変換する。たとえば、交流系統ＡＳ１を送電側にして電力変換器１０ａを順変換器として機能させる場合には、電力変換器１０ａは、交流系統ＡＳ１からの交流電力を直流電力に変換して直流系統ＤＳ１に供給する。また、交流系統ＡＳ２を受電側にして、電力変換器１０ｂを逆変換器として機能させる場合には、電力変換器１０ｂは、直流系統ＤＳ１からの直流電力を交流電力に変換して、交流系統ＡＳ２に供給する。

このような電力変換器１０ａ，１０ｂの一例として、三相２レベル変換器である電力変換器１０が用いられることがある。
図２は、自励式電力変換器を例示する回路図である。
図２に示すように、電力変換器１０は、三相ブリッジ回路１１と、コンデンサ１２と、を含む。三相ブリッジ回路１１は、三相に対応して並列に接続された３つのレグ１３を含む。各レグ１３は、正側と負側に直列に接続された単位アーム１４を含む。電力変換器１０は、直流を三相交流に変換し、または三相交流を直流に変換する。電力変換器１０は、入力された直流電圧のレベルを２分割して出力する。

単位アーム１４は、スイッチング素子１４ａと、ダイオード１４ｂと、を含む。スイッチング素子１４ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、等の自己消弧型素子である。ダイオード１４ｂは、スイッチング素子１４ａに逆並列に接続されている。ダイオード１４ｂは、印加電圧とは逆方向の電流を流してスイッチング素子１４ａの破壊を防止する還流ダイオードである。なお、図示しないが、各スイッチング素子１４ａには、自己消弧型素子をオン、オフさせる駆動回路および駆動回路のための電源が接続されている。

並列に接続された各レグ１３の正側と負側の直流端子１５ｐ，１５ｎは、直流系統ＤＳ１に接続される。各レグ１３における正側と負側の単位アーム１４の中点からは、各相の交流端子１６ｕ，１６ｖ，１６ｗが引き出されている。

コンデンサ１２は、直流端子１５ｐ，１５ｎ間に接続され、各レグ１３と並列に接続されている。コンデンサ１２は、蓄積されたエネルギーを電圧として供給する電圧源である。つまり、三相ブリッジ回路１１は、コンデンサ１２の電圧を、自己消弧型素子のオン、オフにより擬似交流電圧にして出力することができる。

図３〜図５は、本実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。
図３には、電力変換器１０（１０ａ，１０ｂ）を制御する制御装置２０（２０ａ，２０ｂ）のブロック図の例が示されている。制御装置２０は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊、および制御端子切替信号Ｄｔを入力し、電力変換器１０（１０ａ，１０ｂ）のスイッチング素子１４ａを駆動するゲート信号Ｖｇを出力する。

制御端子切替信号Ｄｔは、電力変換器１０が電力一定となるよう動作（Auto Power Regulator、以下、ＡＰＲともいう。）するか、電圧一定となるよう動作（DC Auto Voltage Regulator、以下、ＤＣ-ＡＶＲともいう。）するかを決定する。たとえば、２端子の直流送電システムの場合、順変換器となる電力変換器では、電圧一定（ＤＣ−ＡＶＲ）となるように制御端子切替信号Ｄｔが与えられることが多い。そして、逆変換器となる電力変換器では、電力一定（ＡＰＲ）となるように、制御端子切替信号Ｄｔが与えられることが多い。これにより、直流系統ＤＳ１の電圧が順変換器により決定され、電力が逆変換器により決定される。電圧一定の変換器をＤＣ−ＡＶＲ端、電力一定の変換器をＡＰＲ端と呼ぶことがある。制御端子切替信号Ｄｔとしては、たとえば電圧マージンを利用する方法などがある。

図３に示すように、制御装置２０は、監視用制御部２１と、変換器制御部３１と、を含む。監視用制御部２１は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊を入力して、融通電力指令値Ｐｄｐ＊が所定の条件を満たした場合には、融通電力指令値Ｐｄｐ＊とは異なる新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊を生成する。

監視用制御部２１は、この例では、比較器２２と、監視信号生成器２４と、加算器２５と、を含む。

比較器２２は、外部から供給される融通電力指令値Ｐｄｐ＊と、あらかじめ設定されたしきい値電力Ｐｔ１とを比較する。比較器２２は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも小さい場合には、インバータ回路２３を介してＨレベルの比較信号ＣＭＰを出力する。比較器２２は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１以上の場合には、インバータ回路２３を介してＬレベルの比較信号ＣＭＰを出力する。

監視信号生成器２４は、監視信号Ｐｍ１を出力する。比較信号ＣＭＰの論理レベルによって、監視信号生成器２４は、０でない監視信号Ｐｍ１を出力し、または値が０である監視信号Ｐｍ１を出力する。この例では、監視信号生成器２４は、比較信号ＣＭＰがＨレベルの場合に０でない監視信号Ｐｍ１を出力する。監視信号生成器２４は、比較信号ＣＭＰがＬレベルの場合に値が０の監視信号Ｐｍ１を出力する。

変換器制御部３１は、電力変換器１０の交流電圧や交流電流等を検出して、新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊および制御端子切替信号Ｄｔにしたがって、ＰＩ制御等によりゲート信号Ｖｇを生成する。

図４には、監視信号生成器２４のブロック図の例が示されている。図４に示すように、この例では、監視信号生成器２４は、スイッチ２４ｓと信号発生部２４ｍとを含む。スイッチ２４ｓは、０レベルと信号発生部２４ｍの出力との間で切り替わる。スイッチ２４ｓは、比較信号ＣＭＰによって制御される。

本実施形態では、比較信号ＣＭＰがＨレベルの場合、スイッチ２４ｓは“１”側に接続されるので、監視信号生成器２４は、信号発生部２４ｍから出力される０でない監視信号Ｐｍ１を出力する。比較信号ＣＭＰがＬレベルの場合には、スイッチ２４ｓは“０”側に接続されるので、監視信号生成器２４は、値が０である監視信号Ｐｍ１を出力する。

この例では、信号発生部２４ｍが出力する監視信号Ｐｍ１は、間欠的に振幅Ｐｍを有する方形波である。振幅Ｐｍは、しきい値電力Ｐｔ１と区別できるように、しきい値電力Ｐｔ１よりも大きな値を有する。０でない監視信号Ｐｍ１は、たとえば、一定の周波数、一定のデューティサイクルおよび振幅Ｐｍを有する方形波である。方形波の周波数、デューティサイクルおよび振幅Ｐｍはあらかじめ設定されている。方形波の周波数およびデューティサイクルは、交流系統に悪影響を与えない範囲で設定される。

監視用制御部２１に入力された融通電力指令値Ｐｄｐ＊は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも小さい場合には、加算器２５によって監視信号生成器２４から出力される監視信号Ｐｍ１が加算される。加算された新たな融通電力指令値Ｐｄｐ＊１は、変換器制御部３１に供給される。

図５には、断線検出器４０のブロック図の例が示されている。図５に示すように、断線検出器４０は、比較器４１，４５と、ＡＮＤ回路４２と、加減算器４３と、絶対値回路４４と、を含む。断線検出器４０は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊および直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２を入力して、断線検出信号Ｄｄを出力する。

比較器４１は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊と、しきい値電力Ｐｔ１とを比較する。この例では、比較器４１は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも小さい場合には、Ｌレベルの信号を出力する。比較器４１は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１以上の場合には、Ｈレベルの信号を出力する。比較器４１から出力される信号は、反転されてＡＮＤ回路４２に入力される。

加減算器４３は、直流送電線３の直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２を入力して、これらの差電圧ΔＶｄｃを出力する。差電圧ΔＶｄｃは、絶対値回路４４によって絶対値｜ΔＶｄｃ｜が計算されて比較器４５に入力される。

比較器４５は、差電圧の絶対値｜ΔＶｄｃ｜としきい値電圧ΔＶｔ（＞０）とを比較する。この例では、比較器４５は、差電圧の絶対値｜ΔＶｄｃ｜がしきい値電圧ΔＶｔ以上の場合には、Ｈレベルの信号を出力する。比較器４５は、差電圧の絶対値｜ΔＶｄｃ｜がしきい値電圧ΔＶｔよりも低い場合には、Ｌレベルの信号を出力する。

ＡＮＤ回路４２は、一方の比較器４１から出力される信号がＬレベルであり、かつ、他方の比較器４５から出力される信号がＨレベルの場合に、Ｈレベルの断線検出信号Ｄｄを出力する。つまり、断線検出器４０は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも小さく、かつ、差電圧の絶対値｜ΔＶｄｃ｜がしきい値電圧ΔＶｔ以上の場合に、Ｈレベルの断線検出信号Ｄｄを出力する。これ以外の条件の場合には、断線検出器４０が出力する断線検出信号Ｄｄは、Ｌレベルとなる。断線検出信号ＤｄがＨレベルの場合に、断線検出がアクティブであり、断線検出されているものとする。

図６（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図６（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。

図６（ａ）には、電力変換器１０ａ，１０ｂと、制御装置２０ａ，２０ｂと、断線検出器４０と、を備えた直流送電システム１００が示されている。制御装置２０ａ，２０ｂには、融通電力指令値Ｐｄｐ＊および直流電圧指令値Ｖｄｃ＊が入力される。この例では、交流系統ＡＳ１と直流系統ＤＳ１との間に接続されている電力変換器１０ａがＤＣ−ＡＶＲ端として動作し、直流系統ＤＳ１と交流系統ＡＳ２との間に接続されている電力変換器１０ｂがＡＰＲ端として動作するものとする。したがって、融通される電力は、交流系統ＡＳ１側から交流系統ＡＳ２側に送電される。なお、これらの動作は、制御端子切替信号によって設定される。

図６（ｂ）の上段の図は、電力変換器１０ａ，１０ｂのそれぞれの直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の時間変化を示している。Ｖｄｃ１は破線で示され、Ｖｄｃ２は実線で示されている。
図６（ｂ）の下段の図は、監視用制御部２１が出力する新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊の時間変化を示している。

融通電力指令値が比較的大きい定格運転時であって、断線事故等の異常がない場合には、直流端子の電力および電圧は、融通電力指令値および直流電圧指令値と一致している。ＤＣ−ＡＶＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ１は、制御装置２０ａに入力した直流電圧指令値Ｖｄｃ＊と一致している。ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、制御装置２０ｂに入力した融通電力指令値Ｐｄｐ＊によって決まる電流による電圧降下等を考慮した値となる。

図６（ｂ）の例では、時刻ｔ０〜ｔ２の期間に、しきい値電力Ｐｔ１以上の融通電力指令値Ｐｄｐ＊が設定され、時刻ｔ２以降の期間で、しきい値電力Ｐｔ１を下回る融通電力指令値Ｐｄｐ＊となる。ＤＣ−ＡＶＲ端では、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は一定であるものとする。

つまり、時刻ｔ０〜ｔ２の期間では、監視用制御部２１は、新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊として、融通電力指令値Ｐｄｐ＊をそのまま変換器制御部３１に供給する。時刻ｔ２以降では、監視用制御部２１は、０でない監視信号Ｐｍ１が加算された新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊を出力する。

時間の経過に沿って具体的に説明すると、時刻ｔ０〜ｔ１の期間では、融通電力指令値は、たとえば定格値のＰｄｐ（１）である。ＤＣ−ＡＶＲ端からＡＰＲ端にＰｄｐ（１）が送電され、このときの直流電流Ｉｄｃ等に応じてＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２が決定される。ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、ＤＣ−ＡＶＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ１よりも低い。

時刻ｔ１〜ｔ２の期間では、融通電力指令値Ｐｄｐ＊は次第に低下する。融通電力指令値Ｐｄｐ＊は、時刻ｔ２においてしきい値電力Ｐｔ１よりも低くなる。ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊の低下に応じて上昇する。

時刻ｔ２以降の期間では、監視用制御部２１は、パルス幅τ、振幅Ｐｍの方形波を有する監視信号Ｐｍ１が加算された新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊を出力する。なお、この例では、時刻ｔ２以降において融通電力指令値Ｐｄｐ＊は０としている。

時刻ｔ２〜ｔ６の期間では、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、監視信号Ｐｍ１に応じて、変動する。つまり、融通電力指令値Ｐｄｐ１＊（監視信号Ｐｍ１）が出力される時刻ｔ２〜ｔ３および時刻ｔ４〜ｔ５の期間では、直流送電線３に流れる電流に応じて、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２が低下する。

時刻ｔ６において、直流送電線３に断線が発生したとする。時刻ｔ７において、融通電力指令値Ｐｄｐ１＊が出力されるので、ＡＰＲ端の電力変換器１０ｂおよび制御装置２０ｂは、融通電力指令値Ｐｄｐ１＊となるように、直流端子電圧Ｖｄｃ２を引き下げようと動作する。しかし、直流送電線３は断線しているので、電流を流すことができず、直流端子電圧Ｖｄｃ２は低下し続ける。

時刻ｔ８において、直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の差電圧の絶対値｜ΔＶｄｃ｜は、しきい値電圧ΔＶｔ以上となる。そのため、断線検出器４０は、直流送電線３に断線が発生していると判断することができる。断線検出器４０は、時刻ｔ８において、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。

本実施形態の直流送電システムの効果について説明する。
本実施形態の直流送電システム１００では、制御装置２０および断線検出器４０において、融通電力指令値Ｐｄｐ＊を監視する。そして、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも低い場合には、制御装置２０は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊とは無関係に生成された監視信号Ｐｍ１を融通電力指令値Ｐｄｐ＊に加算して新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊にもとづいて動作する。そのため、新たな融通電力指令値Ｐｄｐ１＊に応じて直流送電システム１００が正常に動作するか否かを検出することによって、直流送電線３の断線の有無を判断することができる。

直流送電システムでは、サイリスタを使用した他励式の電力変換器が用いられる場合がある。直流送電システムに用いられてきた他励式電力変換器は、電流型変換器である場合が多い。電流型変換器は、大きなインダクタンスを有する平滑リアクトルが直流端子側に接続されている。そのため、このような電流型変換器が運転を継続するためには、電流を流し続ける必要がある。

このような断線を検出する技術として、他励式変換器の電圧、電流特性を利用して、電圧変化率を検出する技術が知られている。しかし、上述したように、他励式変換器において断線検出するときには、電流を遮断する必要があり、他励式変換器の運転を停止せざるを得ないので、送電線の復旧作業が必要となる。このため、再運転するには多大な時間がかかる。

これに対して、本実施形態の直流送電システム１００では、電圧型の電力変換器を制御する制御装置を備えているので、直流送電線の断線時においても電力変換器の動作を継続することができる。

また、自励式の電力変換器では、サイリスタの点弧角によらず電力制御することができるので、高速かつきめ細かい制御を行うことができる。

交流系統には、系統電圧を調整して系統を安定化させるために、無効電力の供給が必要となる。しかしながら、他励式変換器は、サイリスタの点弧角のみで制御するため、無効電力の制御をすることができず、供給する無効電力は、有効電力に応じて自動的に決定される。そして、他励式変換器の場合には、直流送電線の断線事故が生じると、直流送電線には電流が流れなくなり、他励式変換器は、有効電力だけでなく、無効電力の出力もゼロとなる。

これに対して、本実施形態の直流送電システム１００では、自励式の電力変換器を制御する制御装置を備えているので、直流送電線の断線事故であっても、平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーを維持することができる。そのため、電力変換器は、運転を継続することができるので、無効電力の出力を継続し、交流系統の安定化に寄与することができる。

上述では、断線検出器４０は、制御装置２０等と別体の装置であるとして説明した。これに限らず、各端子の制御装置は、断線検出器を構成要素として備えるようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図７および図８は、本実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。
図７には、本実施形態の場合の監視信号生成器１２４のブロック図の例が示されている。また、図８には、本実施形態の場合の断線検出器１４０のブロック図の例が示されている。この実施形態では、監視信号生成器１２４および断線検出器１４０の構成が上述の実施形態の場合と相違し、他の構成要素については上述の実施形態の場合と同じである。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図７に示すように、本実施形態の監視信号生成器１２４は、正弦波状の交流成分を含む監視信号Ｐｍ２を出力する信号発生部１２４ｍを含む。監視信号Ｐｍ２は、ゼロを中心に正負の正弦波であってもよいし、直流成分が加算された正弦波であってもよい。監視信号Ｐｍ１の交流成分は、正弦波に限らず、正負に振れる方形波や三角波等であってもよい。

監視信号生成器１２４は、上述した他の実施形態の場合と同様に、Ｈレベルの比較信号ＣＭＰが入力された場合に、監視信号Ｐｍ２を出力する。

図８に示すように、断線検出器１４０は、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２と、あらかじめ設定されたしきい値電圧Ｖａｔとを比較する。断線検出器１４０は、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２がしきい値電圧Ｖａｔ以上の場合に、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。

断線検出器１４０に入力されるＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、交流成分が含まれることがあり、このときの交流成分の振幅がしきい値電圧Ｖａｔと比較される。この例では、断線検出器１４０は、交流成分の振幅を比較するために、ピーク検出器１４３を含む。入力された直流端子電圧Ｖｄｃ２は、ピーク検出器１４３によって、電圧のピーク値が検出され、検出されたピーク値は、比較器４５によってしきい値電圧Ｖａｔと比較される。

直流端子電圧Ｖｄｃ２としきい値電圧Ｖａｔとを比較する場合には、直流端子電圧Ｖｄｃ２の交流成分の振幅を抽出することができればよく、ピーク−ピークの検出に限らず、交流成分の実効値を計算等してもよい。

図９（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図９（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。
この例では、監視信号Ｐｍ２は、直流成分を含まず、ゼロを中心に正負に振れる正弦波信号であるものとする。
図９（ａ）には、電力変換器１０ａ，１０ｂと、制御装置１２０ａ，１２０ｂと、断線検出器１４０と、を備えた直流送電システム２００が示されている。直流送電線３に流れる直流電流Ｉｄｃが合わせて示されている。制御装置１２０ａ，１２０ｂは、監視信号生成器１２４をそれぞれ含んでいる。

図９（ｂ）の上段の図は、電力変換器１０ａ，１０ｂのそれぞれの直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の時間変化を示している。Ｖｄｃ１は破線で示されており、Ｖｄｃ２は実線で示されている。
図９（ｂ）の下段の図は、新たな融通電力指令値Ｐｄｐ２＊の時間変化が示されている。

図９（ｂ）の例では、時刻ｔ０〜ｔ２の期間に、しきい値電力Ｐｔ１以上の融通電力指令値Ｐｄｐ＊が設定され、時刻ｔ２以降の期間で、しきい値電力Ｐｔ１を下回る融通電力指令値Ｐｄｐ＊となる。ＤＣ−ＡＶＲ端では、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は一定であるものとする。

時刻ｔ０〜ｔ２の期間では、監視用制御部１２１は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊を、融通電力指令値Ｐｄｐ２＊として、そのまま変換器制御部３１に供給する。時刻ｔ２以降では、監視用制御部１２１は、０でない監視信号Ｐｍ２を加算した新たな融通電力指令値Ｐｄｐ２＊を出力する。

時刻ｔ２において、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１を下回ると、電力変換器１０ｂおよび制御装置１２０ｂは、新たな融通電力指令値Ｐｄｐ２＊にしたがって動作する。融通電力指令値Ｐｄｐ２＊および直流電流Ｉｄｃは、監視信号Ｐｍ２と同位相の交流となる。ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、融通電力指令値Ｐｄｐ２＊および直流電流Ｉｄｃとは、逆位相の交流成分を有する。

時刻ｔ１３において、直流送電線３に断線事故が発生する。このため、直流電流Ｉｄｃは０となる。時刻ｔ１３以降では、融通電力指令値Ｐｄｐ２＊は、監視信号Ｐｍ２を出力するため、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、監視信号Ｐｍ２に応じて変化する。

時刻ｔ１３以降のＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２は、ＤＣ−ＡＶＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ１をほぼ上限として脈動する。

この例では、断線検出器１４０は、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２の上限および下限のピーク値がしきい値電圧Ｖａｔよりも高いと判定した場合に、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する（時刻ｔ１４）。

本実施形態の直流送電システム２００の効果について説明する。
本実施形態の直流送電システム２００は、監視信号Ｐｍ２として、ゼロを中心に正負に振れる信号を用いている。そのため、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも低い場合で、直流送電線３が断線していないときには、ＤＣ−ＡＶＲ端とＡＰＲ端との間で電力の送受がされる。したがって、監視信号Ｐｍ２による交流成分は送電されず、融通電力指令値Ｐｄｐ＊で設定した直流電力を安定して送電することができる。

（第３の実施形態）
図１０は、本実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。
上述した他の実施形態の場合には、ＤＣ−ＡＶＲ端およびＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２を検出することによって、直流送電線３の断線を検出したが、本実施形態では、直流送電線３に流れる電流を検出することによって断線検出を行う。

図１０に示すように、本実施形態の直流送電システム３００は、上述の他の実施形態の場合とは異なる断線検出器２４０を備える。断線検出器２４０には、電流検出器６２によって検出された直流送電線３に流れる検出電流が入力される。他の構成要素については、上述した実施形態の場合と同じである。なお、制御装置１２０ａ，１２０ｂは、正弦波状の監視信号を生成する監視信号生成器１２４を含んでいる（第２の実施形態）が、方形波状の監視信号を生成する制御装置２０ａ，２０ｂを用いるようにしてもよい（第１の実施形態）。

図１１は、本実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。
図１１には、断線検出器２４０のブロック図の例が示されている。図１１に示すように、断線検出器２４０は、電流検出器６２によって検出された直流送電線３を流れる直流電流検出値Ｉｄｃ１を入力し、しきい値電流Ｉａｔと比較することによって直流送電線３の断線の有無を検出する。

断線検出器２４０は、比較器２４５を含む。直流電流検出値Ｉｄｃ１は、交流成分を含み、交流成分の振幅がしきい値電流Ｉａｔと比較される。そのため、この例では、入力された直流電流検出値Ｉｄｃ１は、ピーク検出器２４３に入力される。直流電流検出値Ｉｄｃ１は、ピーク−ピークの振幅値に変換されて比較器２４５に入力される。比較器２４５は、直流電流検出値Ｉｄｃ１のピーク値振幅としきい値電流Ｉａｔとを比較して、直流電流検出値Ｉｄｃ１のピーク値振幅がしきい値電流Ｉａｔ以上の場合に、断線検出器２４０は、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。なお、比較器２４５の出力論理に応じて、この例のように、比較器２４５の出力信号は反転されてＡＮＤ回路４２に入力される。

図１２（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図１２（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。
図１２（ｂ）の下段の図は、直流電流検出値Ｉｄｃ１の時間変化を示している。電流値Ｉｄｃ（１）は、融通電力の定格値Ｐｄｐ（１）に対応する電流値である。Ｉｔ１は、融通電力のしきい値電力Ｐｔ１に対応する電流しきい値である。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ２３において、ＡＰＲ端では、新たな融通電力指令値Ｐｄｐ２＊に応じて、正弦波状の直流電流が流れる。直流電流の位相は、融通電力指令値Ｐｄｐ２＊と同位相である。直流端子電圧Ｖｄｃ２の位相は、融通電力指令値Ｐｄｐ２＊とは逆位相となる。

時刻ｔ２３において、断線事故が発生するので、直流電流検出値Ｉｄｃ１はほぼ０になる。したがって、直流電流検出値Ｉｄｃ１がしきい値電流Ｉａｔを下回ることになるので、断線検出器２４０は、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。なお、断線検出器２４０の比較器２４５は、脈動する電流値のピーク−ピークの振幅を測定するので、最初にしきい値電流Ｉａｔを下回る電流値を検出した後、下回った状態が脈動の１周期分以上継続するか否かを判定するようにしてもよい。この場合には、時刻ｔ２４において、断線検出信号Ｄｄが出力される。

上述したように、直流送電線の両端の電圧値を検出して、断線検出することもできるし、直流送電線に流れる電流を検出して断線検出することもできる。

制御装置２０の監視信号生成器では、上述したように時間変化する信号を融通電力が小さい場合に出力することができればよく、用いる監視信号は、方形波や正弦波等、交流系統に悪影響を及ぼさない任意の信号波形を用いることができる。

（第４の実施形態）
図１３〜図１５は、本実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。
図１３には、直流送電システムの制御装置３２０の構成例が示されている。図１４には、監視信号生成器３２４の構成例が示されている。本実施形態では、融通電力指令値の値が小さい場合に、監視信号を直流電圧指令値に加算して、新たな直流電圧指令値とする。

図１３に示すように、本実施形態の直流送電システムは、制御装置３２０を備える。制御装置３２０は、監視用制御部３２１を含む。監視用制御部３２１は、比較器２２と、監視信号生成器３２４と、加算器３２５と、を含む。

図１４に示すように、監視信号生成器３２４は、スイッチ２４ｓと、信号発生部３２４ｍと、を含む。監視信号生成器３２４は、監視信号Ｖｍ４を出力する。比較信号ＣＭＰの論理によって、監視信号生成器２４は、０でない監視信号Ｖｍ４を出力し、または０である監視信号Ｖｍ４を出力する。この例では、監視信号生成器３２４は、比較信号ＣＭＰがＨレベルの場合に０でない監視信号Ｖｍ４を出力する。監視信号生成器３２４は、比較信号ＣＭＰがＬレベルの場合に、０である監視信号Ｖｍ４を出力する。

加算器３２５は、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊と監視信号Ｖｍ４とを入力して、これらを加算して新たな直流電圧指令値Ｖｄｃ４＊として出力する。

図１５には、断線検出器３４０の構成例が示されている。図１５に示すように、断線検出器３４０は、ＡＮＤ回路３４２およびピーク検出器３４３の構成が上述した他の実施形態の断線検出器１４０の場合と相違する。本実施形態では、比較器４５から出力された信号は、反転されてＡＮＤ回路３４２に入力される。つまり、ＡＮＤ回路３４２は、融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも小さく、かつ、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２の交流振幅がしきい値電圧Ｖａｔよりも低い場合に、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。

図１６（ａ）は、直流送電システムの動作を説明するための構成例を示すブロック図である。図１６（ｂ）は、直流送電システムの動作を説明するためのタイミングチャートの例である。
図１６（ａ）に示すように、直流送電システム４００は、制御装置３２０ａ，３２０ｂと、断線検出器３４０と、を備える。制御装置３２０ａ，３２０ｂは、上述の制御装置３２０と同一の構成を有する。

図１６（ｂ）に示すように、時刻ｔ２以降では、融通電力指令値Ｐｄｐ＊（またはＰｄｐ２＊）がしきい値電力Ｐｔ１を下回るので、制御装置３２０ａ，３２０ｂは、０でない正弦波状の監視信号Ｖｍ４によって、新たな直流電圧指令値Ｖｄｃ４＊を生成する。そのため、制御装置３２０ａは、破線で示すように、監視信号Ｖｍ４にしたがう正弦波状の直流端子電圧Ｖｄｃ１を出力する。

時刻ｔ２〜ｔ３３では、ＡＰＲ端である制御装置３２０ｂは、ほぼ０の融通電力指令値Ｐｄｐ＊のため、直流電流Ｉｄｃもほぼ０であり、直流端子電圧Ｖｄｃ２は、ＤＣ−ＡＶＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ１に応じて変化する。

時刻ｔ３３において、直流送電線３に断線事故が発生すると、ＡＰＲ端である制御装置３２０ｂは、ほぼ０の融通電力指令値Ｐｄｐ＊で動作し、ＤＣ−ＡＶＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ１の影響を受けない。そのため、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２の脈動はほぼ０となる。

断線検出器３４０は、ＡＰＲ端の直流端子電圧Ｖｄｃ２がしきい値電圧Ｖａｔよりも低いことを検出するので、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する（時刻ｔ３４）。

このように、低い融通電力指令値の場合に、制御装置３２０において、時間変化する０でない監視信号を直流電圧指令値Ｖｄｃ＊に加算して新たな直流電圧指令値Ｖｄｃ４＊とすることによっても、確実に断線検出をすることができる。

本実施形態の例では、正弦波状の監視信号を生成して、ＡＰＲ端の出力端子電圧Ｖｄｃ２の値をしきい値Ｖａｔと比較したが、上述の他の実施形態の場合に用いた手段によってもよい。たとえば、方形波状の監視信号を生成して、ＤＣ−ＡＶＲ端およびＡＰＲ端のそれぞれの出力端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の差電圧ΔＶｄｃをしきい値と比較して断線の判定をするようにしてもよい。

（第５の実施形態）
図１７は、本実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。
上述した直流送電システムは、２端子の場合に限らず、３端子以上の多端子システムにも適応することができる。

図１７に示すように、本実施形態の直流送電システム５００は、３つ以上の電力変換器１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…と、制御装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，…と、断線検出器５４０と、を備える。直流送電システム５００には、交流系統ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３と、直流系統ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３と、を含む。直流系統ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３は、直流送電線３ａ，３ｂ，３ｃを含む。

この例では、直流系統ＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３は、それぞれの一端において、ノードＮで接続されている。直流送電システム５００は、電力変換器１０ａ，１０ｂ，１０ｃの直流端子電圧を検出する電圧検出器６１ａ，６１ｂ，６１ｃのほか、ノードＮの電圧を検出する電圧検出器６１ｄを含んでいる。

断線検出器５４０は、各端子の直流端子電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２，Ｖｄｃ３とノードＮの電圧ＶｄｃＮとの間の電圧差を検出して、しきい値電圧ΔＶｔと比較する。

制御装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、上述した他の実施形態の場合と同様に動作する。融通電力指令値Ｐｄｐ＊がしきい値電力Ｐｔ１よりも低く、かつ、電圧差の絶対値がしきい値電圧ΔＶｔ以上の場合には、断線検出器５４０は、アクティブな断線検出信号Ｄｄを出力する。

（第６の実施形態）
図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、本実施形態の直流送電システムの一部を例示するブロック図である。
上述した直流送電システムの電力変換装置には、三相２レベル変換器に限らず、他の回路形式のものを用いることができる。本実施形態の電力変換装置には、電力変換器としてモジュラーマルチレベルコンバータ（以下、ＭＭＣとする）を適用することもできる。

図１８（ａ）に示すように、ＭＭＣ６２０は、三相に対応して並列に接続されたレグ６６１を有する。各レグ６６１は、正側と負側に直列に接続された単位アーム６６２ａ，６６２ｂを有する。

単位アーム６６２ａ，６６２ｂは、単位変換器６６３を多段直列接続することにより構成されている。単位変換器６６３は、チョッパセルあるいはセルとも呼ばれる。

図１８（ｂ）に示すように、単位変換器６６３は、スイッチング素子６６３ａと、ダイオード６６３ｂと、コンデンサ６６３ｃと、を含む。スイッチング素子６６３ａは、自己消弧型の半導体素子である。スイッチング素子６６３ａは、直列に２個接続されている。各スイッチング素子６６３ａには、自己消弧型素子をオン、オフさせる駆動回路および電源が接続されている。

ダイオード６６３ｂは、還流ダイオードである。２個のダイオード６６３ｂは、各スイッチング素子６６３ａにそれぞれ逆並列に接続されている。

コンデンサ６６３ｃは、直列に接続された２個のスイッチング素子６６３ａに並列に接続されている。

単位変換器６６３は、２つの端子Ｔ１，Ｔ２によって、他の単位変換器６６３等と接続される。複数の単位変換器６６３を直列に接続するためには、一方の単位変換器６６３の端子Ｔ１を他方の単位変換器６６３の端子Ｔ２に接続する。

並列に接続された各レグ６６１の正側と負側の端子は、直流系統ＤＳ１に接続される直流端子６１５ｐ，６１５ｎである。各レグ６６１における正側と負側の単位アーム６６２ａ，６６２ｂは、バッファリアクトル６６４を介して接続されている。正側と負側のバッファリアクトル６６４の中点からは、変圧器６６５を介して、各相の交流端子６１６ｕ〜６１６ｗが引き出されている。

ＭＭＣ６２０は、単位変換器６６３の動作タイミングをずらすことで、階段状のマルチレベル波形の出力として、正弦波に近づけることができる。このため、本実施形態における直流送電線の断線時においても、良好な動作波形による無効電力の供給を継続できる。また、三相２レベル変換器で必要であった交流フィルタ容量を低減若しくは不要とすることができる。さらに、三相２レベル変換器のような高耐圧のコンデンサが不要となる。

なお、単位アーム６６２ａ、６６２ｂは、ｎ個の単位変換器６６３を直列に接続すればよい。上述では、ｎ＝２としたが、ｎ≧１であればよい。また、変圧器６６５のリアクタンス成分を利用して、バッファリアクトル６６４を削減する回路構成としてもよい。

以上説明した実施形態によれば、直流送電線の断線を検出して断線検出信号を生成する直流送電システムおよび制御装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

３，３ａ，３ｂ，３ｃ 直流送電線、４ａ，４ｂ 直流断路器、１０，１０ａ，１０ｂ 電力変換器、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，１２０ａ，１２０ｂ，３２０ａ，３２０ｂ 制御装置、２１ 監視用制御部、２２ 比較器、２３ インバータ回路、２４，１２４，３２４ 監視信号生成器、３１ 変換器制御部、４０，１４０，２４０，３４０ 断線検出器、４１，４５ 比較器、４２ ＡＮＤ回路、４３ 加減算器、４４ 絶対値演算器、６１ａ，６１ｂ，６１ｃ 電圧検出器、６２ 電流検出器、１００，２００，３００，４００，５００ 直流送電システム、６２０ モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）

Claims (10)

1. 第１電力指令値が所定のしきい値よりも低い場合に、時間的に変化する監視信号を前記第１電力指令値に加算して第２電力指令値として用いて制御信号を生成し自励式電力変換器を制御する制御装置と、
   前記第１電力指令値が前記所定のしきい値よりも低い場合に、直流送電線の両端の電圧のうち少なくとも一方の電圧値または前記直流送電線に流れる電流値にもとづいて、前記直流送電線が断線したことを示す断線検出信号を生成する断線検出器と、
   を備えた直流送電システム。
2. 前記監視信号は、正の値、負の値、および正負の値のうちのいずれかを有する請求項１記載の直流送電システム。
3. 前記断線検出器は、前記直流送電線の両端の電圧差にもとづいて前記断線検出信号を生成する請求項１または２に記載の直流送電システム。
4. 前記断線検出器は、前記制御装置が前記第２電力指令値にしたがって制御する前記自励式電力変換器の直流端子の電圧の値にもとづいて前記断線検出信号を生成する請求項１または２に記載の直流送電システム。
5. 前記断線検出器は、前記直流送電線に流れる電流にもとづいて前記断線検出信号を生成する請求項１記載の直流送電システム。
6. 電力指令値が所定のしきい値よりも低い場合に、時間的に変化する監視信号を電圧指令値に加算して新たな電圧指令値として用いて自励式電力変換器を制御する制御装置と、
   前記電力指令値が前記所定のしきい値よりも低い場合に、直流送電線の両端の電圧のうち少なくとも一方の電圧値にもとづいて、前記直流送電線が断線したことを示す断線検出信号を生成する断線検出器と、
   を備えた直流送電システム。
7. 前記断線検出器は、２以上の直流送電線について、電圧値または電流値を監視する請求項１〜６のいずれか１つに記載の直流送電システム。
8. 前記断線検出器は、前記断線検出信号によって、前記直流送電線に直列に接続された直流断路器を開放し、
   前記制御装置は、前記自励式電力変換器によって継続して無効電力を供給する請求項１〜７のいずれか１つに記載の直流送電システム。
9. 前記制御装置は、前記電力変換器としてモジュラーマルチレベルコンバータを制御する請求項１〜８のいずれか１つに記載の直流送電システム。
10. 直流送電のための電力変換器の制御装置であって、
    電力指令値が所定のしきい値よりも低い場合に、時間的に変化する監視信号を前記電力指令値に加算して新たな電力指令値を生成する監視用制御部と、
    前記電力指令値が前記所定のしきい値よりも低い場合に、直流送電線の両端の電圧のうち少なくとも一方の電圧値または前記直流送電線に流れる電流値にもとづいて、前記直流送電線が断線したことを示す断線検出信号を生成する断線検出部と、
    を備えた制御装置。
    

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