JP6939465B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置の位相変化を含む不平衡な電圧低下の検出方法に関する。

太陽光ＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に代表される分散型電源用の電力変換装置は、系統連系のための規格対応が必要である。守るべき規格としては、例えば、高調波電流対策，ＦＲＴ（Ｆａｕｌｔ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ）が挙げられる。ＦＲＴはパワーコンディショナーなどが備える系統擾乱時における運転継続性能のことである。

高調波電流対策，ＦＲＴ対応を行っている電力変換装置について例を挙げて説明する。図４は、分散型電源と電力系統が電力変換装置５を介して連系されるシステムの構成を示したものである。分散型電源として太陽光発電の太陽光パネル６を設け、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御により系統８へ電力供給するものである。

図５は太陽光ＰＣＳの制御装置９を図示したものである。ｄ軸インバータ電流制御部１の詳細を図６に示す。

ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆとｄ軸電流検出値Ｉｄ＿ｄｅｔの偏差をＰＩ制御器２ａによりＰＩ演算し、ＡＣＲ制御を行う。このＰＩ制御器２ａの出力にフィードフォワード項（以下、ＦＦ項と称する）として交流電圧を加算する。この交流電圧がインバータの出力基準となる電圧である。

第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１がＯＦＦの場合は系統定常状態のためＦＦ項は電圧実効値Ｖｒｍｓ，第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１がＯＮの場合は系統電圧低下状態のためＦＦ項はｄ軸電圧Ｖｄとする。

系統定常状態の時は、交流電圧検出値をｄ軸電圧Ｖｄでなく電圧実効値Ｖｒｍｓにすることで、電圧指令値の歪みを平衡化できるため高調波を安定させることができる。電圧指令値に不平衡、脈動、や高調波成分が含まれないので電流制御が安定化する。

ＦＲＴにおける系統電圧低下時は、ＦＦ項が電圧実効値Ｖｒｍｓだと応答速度が遅くなり、系統電圧と装置の出力基準電圧に差分が生まれインバータ電流が上昇する。過電流レベルまで電流が上昇すると装置が停止し運転継続できなくなるため、系統電圧低下時は高速に判定し、速やかにＦＦ項を応答の早いｄ軸電圧Ｖｄへ切り替える必要がある。

図６に示すｄ軸インバータ電流制御部１では、ＦＦ項の切替制御を図５に示す第１系統電圧低下判定部３の第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１により行う。第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１の生成方法を図８に示す。

電圧低下判定の例として、系統電圧の電圧実効値ＶｒｍｓとＤＱ軸変換したｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄの電圧差分Ｖｄｅｆを使用する方法を説明する。図８に示すように、Ｓ１において、ｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄが電圧実効値Ｖｒｍｓ以上であるか否かを判定する。ｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄが電圧実効値Ｖｒｍｓ以上である場合はＳ２へ移行し、そうでない場合はＳ３へ移行する。

Ｓ２では、電圧差分Ｖｄｅｆ＝ｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄ−電圧実効値Ｖｒｍｓにより電圧差分Ｖｄｅｆを算出し、出力電圧上昇フラグをＯＮにする。

Ｓ３では、電圧差分Ｖｄｅｆ＝電圧実効値Ｖｒｍｓ−ｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄにより電圧差分Ｖｄｅｆを算出し、出力電圧上昇フラグをＯＦＦにする。

Ｓ４では、電圧差分Ｖｄｅｆが切替設定電圧レベル以上か否かを判定し、電圧差分Ｖｄｅｆが切替設定電圧レベル以上の場合はＳ５へ移行し、そうでない場合はＳ７へ移行する。

Ｓ５では、出力電圧上昇フラグがＯＦＦか否かを判定し、出力電圧上昇フラグがＯＦＦの場合は、Ｓ６へ移行して第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１をＯＮにする。出力電圧上昇フラグがＯＦＦでない場合は、その制御周期での処理を終了する。

Ｓ７では、確認時間（電圧差分Ｖｄｅｆが切替設定電圧レベルよりも小さい時間）が設定時間を経過しているか否かを判定し、確認時間が設定時間を経過している場合はＳ８へ移行して第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１をＯＦＦする。確認時間が設定時間を経過していない場合はＳ９へ移行して確認時間を更新し、その制御周期での処理を終了する。

すなわち、電圧差分Ｖｄｅｆが切替設定電圧レベル以上、かつ、Ｖｒｍｓ＞Ｖｄの場合に、第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１をＯＮへ切り替える。

図９は定常電圧９１％における線間電圧，電圧差分，切替設定電圧レベル（例：２０％）を示し、図１０は定常電圧９１％→２０％へ低下した場合の線間電圧，電圧差分７１％（９１％−２０％），切替設定電圧レベル（例：２０％）を示す。

切替設定電圧レベルは装置仕様範囲外の任意の電圧を指定する。第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１をＯＮからＯＦＦに切り替えるのは、系統電圧低下状態から復帰した後、確認時間が設定時間を経過した場合とする。設定時間は系統電圧が安定することを想定した時間に設定する。

ｑ軸インバータ電流制御部４の詳細を図７に示す。ｑ軸インバータ電流制御部４では、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆとｑ軸電流検出値Ｉｑ＿ｄｅｔの偏差をＰＩ制御器２ｂによりＰＩ演算し、ＡＣＲ制御を行う。このＰＩ制御器２ｂの出力にＦＦ項を加算する。

系統電圧に位相変化がない場合、ｑ軸電圧Ｖｑは０となるため定常時のＦＦ項は０を加算し、電圧低下時のみｑ軸電圧Ｖｑを加算する。電圧低下判定は、ｄ軸インバータ電流制御部１と同様に第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１により行う。

特開２０１５−１９２５６２号公報

電圧低下判定方法として電圧実効値Ｖｒｍｓとｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄの電圧差分Ｖｄｅｆを使用する方法を説明した。しかし、図１１の位相変化を含む定常電圧９１％→２０％へ低下した場合の線間電圧，ｄ軸電圧に示すように、位相変化を含む不平衡な電圧低下（二相短絡）はｄ軸電圧Ｖｄを基本波の２倍の周波数で振動させるため、不感帯が生じる。そのため、、図１２（ａ）に示すように、電圧差分Ｖｄｅｆが切替設定電圧レベル以上になるのが遅れる。それに伴いＦＦ項の切り替えが遅れインバータ電流が上昇し、過電流レベルまで上昇すると、装置が停止し、運転が継続できなくなる。したがって、従来の電圧低下判定方法は、判定方法として不十分である。

以上示したようなことから、電力変換装置において、高速に電圧低下判定を行うことが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、ｄ軸電圧と電圧実効値との電圧差分が切替設定電圧レベル以上で、かつ、前記電圧実効値が前記ｄ軸電圧よりも大きい場合にＯＮとなる第１電圧低下判定信号を出力する第１系統電圧低下判定部と、ｄ軸電圧とｑ軸電圧に基づいてＤＱ位相を演算する極座標変換部と、前記ＤＱ位相の絶対値を算出する絶対値演算部と、前記ＤＱ位相の絶対値が切替設定位相レベル以上の場合にＯＮとなる第２電圧低下判定信号を出力する第２系統電圧低下判定部と、前記第１電圧低下判定信号と前記第２電圧低下判定信号が両方ＯＦＦの場合にＯＦＦとなり、前記第１電圧低下判定信号と前記第２電圧低下判定信号のうち少なくとも何れか一方がＯＮの場合にＯＮとなる第３電圧低下判定信号を出力する第３電圧低下判定部と、前記第３電圧低下判定信号がＯＦＦの場合、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差に基づいたＰＩ制御の出力に、前記電圧実効値を加算した値をｄ軸電圧指令値として出力し、前記第３電圧低下判定信号がＯＮの場合、前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流検出値の偏差に基づいたＰＩ制御の出力に、前記ｄ軸電圧を加算した値を前記ｄ軸電圧指令値として出力するｄ軸インバータ電流制御部と、前記第３電圧低下判定信号がＯＦＦの場合、ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値との偏差に基づいたＰＩ制御の出力をｑ軸電圧指令値として出力し、前記第３電圧低下判定信号がＯＮの場合、前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流検出値との偏差に基づいたＰＩ制御の出力に、前記ｑ軸電圧を加算した値を前記ｑ軸電圧指令値として出力するｑ軸インバータ電流制御部と、を、備え、前記ｄ軸電圧指令値と、前記ｑ軸電圧指令値に基づいてインバータを制御することを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１系統電圧低下判定部は、前記電圧差分が切替設定電圧レベルよりも小さくなってから設定時間経過した時に前記第１電圧低下判定信号をＯＦＦとすることを特徴とする。

また、その一態様として、前記第２系統電圧低下判定部は、前記ＤＱ位相の絶対値が切替位相設定レベルよりも小さくなってから設定時間経過した時に前記第２電圧低下判定信号をＯＦＦとすることを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置において、高速に電圧低下判定を行うことが可能となる。

実施形態における電力変換装置の制御装置を示すブロック図。 実施形態における第２電圧低下判定部の処理を示すフローチャート。 定常電圧９１％→２０％へ低下した場合の線間電圧，ＤＱ電圧，ＤＱ位相を示すタイムチャート。 分散型電源と電力系統が電力変換装置を介して連系されるシステムを示す構成図。 従来における電力変換装置の制御装置を示すブロック図。 ｄ軸インバータ電流制御部を示すブロック図。 ｑ軸インバータ電流制御部を示すブロック図。 第１電圧低下判定部の処理を示すフローチャート。 定常電圧９１％における線間電圧および電圧差分を示すタイムチャート。 定常電圧９１％→２０％へ低下した場合の線間電圧および電圧差分を示すタイムチャート。 位相変化を含む定常電圧９１％→２０％へ低下した場合の線間電圧，電圧差分を示すタイムチャート。 ＦＲＴにおける位相変化を含む電圧低下時の系統電圧，インバータ電流，電圧低下判定信号を示すタイムチャート。

以下、本願発明における電力変換装置の実施形態を図１〜図４に基づいて詳述する。

［実施形態］
本実施形態では、図４に示すような太陽光ＰＣＳに代表される分散型電源用の電力変換装置を例として説明する。図４に示すように、分散型電源としての太陽光パネル６と系統８が電力変換装置５を介して連系される。電力変換装置５のインバータ７の直流側は太陽光パネル６に接続される。インバータ７の交流側はフィルタ用のリアクトルＬとコンデンサＣを介してトランスＴｒの一次側に接続される。トランスＴｒの二次側は系統８に接続される。

制御装置９には、直流電流検出値Ｉｄｃ，直流電圧検出値Ｖｄｃ，インバータ電流検出値Ｉｉｎｖ＿ｒ，Ｉｉｎｖ＿ｔ，系統電流検出値、系統電圧検出値Ｖｒｓ，Ｖｓｔが入力され、電力変換装置５の制御に用いられる。

本実施形態１の制御装置９を図１に示す。図１に示す制御装置９は図５に示す制御装置９に点線部の極座標変換部１８，絶対値演算部１９，第２系統電圧低下判定部２０，論理和素子２１を追加したものであり、その他の構成は図５と同一である。

図１に基づいて、本実施形態における電力変換装置の制御装置９を説明する。制御には直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ，直流電流検出値Ｉｄｃ＿ｄｅｔ，インバータ電流検出値Ｉｉｎｖ＿ｒ，Ｉｉｎｖ＿ｔ，交流電圧検出値Ｖｒｓ，Ｖｓｔを移動平均部１０ａ，１０ｂで移動平均した値を使用する。交流電圧検出値Ｖｔｒは、Ｖｔｒ＝−（Ｖｒｓ＋Ｖｓｔ）より求め、インバータ電流検出値Ｉｉｎｖ＿ｓは、Ｉｉｎｖ＿ｓ＝−（Ｉｉｎｖ＿ｒ＋Ｉｉｎｖ＿ｔ）より求める。

ＭＰＰＴ制御を行なうため、乗算部１１において直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔと直流電流検出値Ｉｄｃ＿ｄｅｔを乗算し、直流電力Ｐｄｃを求める。ＭＰＰＴ制御部１２は、直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔと直流電力Ｐｄｃから直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆを算出する。

直流電圧制御部１３では、直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔとＭＰＰＴ制御部１２で演算した直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆよりＡＶＲを行い、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆを出力する。

インバータ電流三相／二相変換部１４では、インバータ電流検出値Ｉｉｎｖ＿ｒ，Ｉｉｎｖ＿ｓ，Ｉｉｎｖ＿ｔを用いてｄ軸電流検出値Ｉｄ＿ｄｅｔ，ｑ軸電流検出値Ｉｑ＿ｄｅｔを算出する。同様に、交流電圧三相／二相変換部１５では、交流電圧検出値Ｖｒｓ，Ｖｔｒ，Ｖｓｔを用いてｄ軸電圧Ｖｄ，ｑ軸電圧Ｖｑを算出する。

インバータ電流三相／二相変換部１４，交流電圧三相／二相変換部１５で必要となる位相θは位相制御部１６より交流電圧検出値Ｖｒｓ，Ｖｔｒ，Ｖｓｔに基づいて算出する。位相θはＦＲＴにおける位相変化を含む電圧低下に対応するため、応答性の早い制御を用いる必要がある。

交流電圧実効値演算部１７は、交流電圧検出値Ｖｒｓ，Ｖｔｒ，Ｖｓｔに基づいて、電圧実効値Ｖｒｍｓを算出する。

第１系統電圧低下判定部３は、ｄ軸電圧（瞬時値）Ｖｄと電圧実効値Ｖｒｍｓとに基づいて、図８に示すように、第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１を生成する。

極座標変換部１８はｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧ＶｑからＤＱ位相θｄｑを演算する。絶対値演算部１９において、ＤＱ位相θｄｑの絶対値処理を行う。

このＤＱ位相θｄｑの振幅が電圧不平衡および位相変化時に大きく変化するため、第２系統電圧低下判定部２０は、ＤＱ位相θｄｑの絶対値｜θｄｑ｜と切替設定位相レベルと比較することにより、位相変化を含む電圧低下を判定する。この第２系統電圧低下判定部２０のフローチャートを図２に示す。

Ｓ１１において、ＤＱ位相θｄｑの絶対値｜θｄｑ｜が切替設定位相レベル以上か否かを判定し、ＤＱ位相θｄｑの絶対値｜θｄｑ｜が切替設定位相レベル以上の場合はＳ１２へ移行し、そうでない場合はＳ１３へ移行する。Ｓ１２では第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２をＯＮする。

Ｓ１３では、確認時間（ＤＱ位相の絶対値｜θｄｑ｜＜切替設定位相レベルの時間）が設定時間を経過しているか否かを判定し、経過している場合はＳ１４へ移行し、第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２をＯＦＦする。経過していない場合はＳ１５で確認時間を更新してその制御周期での処理を終了する。

このように、ＤＱ位相の絶対値｜θｄｑ｜が切替設定位相レベル以上の場合に、第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２をＯＮにする。ＤＱ位相θｄｑは系統電圧のひずみによっても変動するため、切替設定位相レベルは系統電圧ひずみの装置仕様範囲内で誤動作しないレベルに設定する。

第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２をＯＮからＯＦＦに切り替えるのは、系統電圧低下状態から復帰した後、確認時間が設定時間を経過した場合とし、系統電圧が安定することを想定した時間に設定する。

論理和素子２１は、第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１と第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２のうち少なくとも何れか一方がＯＮのときＯＮを出力し、両方ともＯＦＦの場合はＯＦＦとなる第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３を出力する。第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１は位相変化を含まない平衡な電圧低下用であり、第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２は位相変化を含む不平衡な電圧低下用である。

本実施形態のｄ軸インバータ電流制御部１は、図６に示す従来のｄ軸インバータ電流制御部１の第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１を第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３に変更したものである。

第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３がＯＦＦの時は定常状態であると判断し、ＰＩ制御器２ａの出力に電圧実効値Ｖｒｍｓを加算する。第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３がＯＮの時は系統電圧低下状態であると判断し、ＰＩ制御器２ａの出力にｄ軸電圧Ｖｄを加算する。この加算結果がｄ軸電圧指令値となる。

同様に、本実施形態のｑ軸インバータ電流制御部４は、図７に示す従来のｑ軸インバータ電流制御部４の第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１を第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３に変更したものである。

第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３がＯＦＦの時は定常状態であると判断し、ＰＩ制御器２ｂの出力に０を加算する。第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３がＯＮの時は系統電圧低下状態であると判断し、ＰＩ制御器２ｂの出力にｑ軸電圧Ｖｑを加算する。この加算結果がｑ軸電圧指令値となる。

二相／三相変換部２４は、ｄ軸電圧指令値，ｑ軸電圧指令値を位相θに基づいて二相／三相変換し、三相電圧指令値として出力する。ＰＷＭ制御器２５は、三相電圧指令値とキャリア三角波との比較に基づいてゲート信号をインバータ７のスイッチングデバイスに出力する。

位相変換を含む不平衡な電圧低下により、定常電圧９１％→２０％に低下した場合のＤＱ位相θｄｑの動作を理論計算した結果を図３に示す。電圧低下判定が遅れる不感帯が四か所あるが、（２）と（４）の不感帯は、従来の第１電圧低下判定信号ＦＬＧ１と第２電圧低下判定信号ＦＬＧ２の論理和である第３電圧低下判定信号ＦＬＧ３にすることで解消できる。

（１）と（３）の不感帯は残るものの、従来より不感帯の最大時間を短くできるため、インバータ電流が過電流レベルまで上昇して故障停止することはなく電圧低下時も運転継続できる。

本実施形態は図１２（ｂ）に示す通り、電圧低下判定が高速になり、インバータ電流の上昇が抑制される。位相変化を含む不平衡な電圧低下時でも運転継続できる。

本実施形態では位相変化を含む系統電圧低下時、交流電圧のＤＱ位相θｄｑを用いた電圧低下判定に基づいて、インバータ電流制御のＦＦ項の切替を行う。これにより、インバータ電流の増加を抑制し、装置の運転継続を可能にする。

特許文献１では、電圧低下判定に系統電圧の電圧振幅、周波数情報を利用している。ＦＲＴ規格に対応するためには、できるだけ早い電圧異常の検出が必要である。本実施形態では、交流電圧検出値Ｖｒｓ，Ｖｔｒ，Ｖｓｔに対して極座標変換を行い、電圧低下判定をｄ軸電圧Ｖｄ（振幅），ｑ軸電圧Ｖｑ（位相差），電圧実効値Ｖｒｍｓの三種類を条件としている。ｑ軸電圧Ｖｑを積分すると周波数情報にはなるが、本実施形態は、位相でより瞬時値に近い条件で系統異常の検出を早く行うことができる。また、誤検出を防止するために不感帯を設けている。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…ｄ軸インバータ電流制御部
３…第１系統電圧低下判定部
４…ｑ軸インバータ電流制御部
１０ａ，１０ｂ…移動平均部
１１…乗算部
１２…ＭＰＰＴ制御部
１３…直流電圧制御部
１４…インバータ電流三相／二相変換部
１５…交流電圧三相／二相変換部
１６…位相制御部
１７…交流電圧実効値演算部
１８…極座標変換部
１９…絶対値演算部
２０…第２系統電圧低下判定部
２１…論理和素子
２４…二相／三相変換部
２５…ＰＷＭ制御部

Claims (3)

1. ｄ軸電圧と電圧実効値との電圧差分が切替設定電圧レベル以上で、かつ、前記電圧実効値が前記ｄ軸電圧よりも大きい場合にＯＮとなる第１電圧低下判定信号を出力する第１系統電圧低下判定部と、
   前記ｄ軸電圧とｑ軸電圧に基づいてＤＱ位相を演算する極座標変換部と、
   前記ＤＱ位相の絶対値を算出する絶対値演算部と、
   前記ＤＱ位相の絶対値が切替設定位相レベル以上の場合にＯＮとなる第２電圧低下判定信号を出力する第２系統電圧低下判定部と、
   前記第１電圧低下判定信号と前記第２電圧低下判定信号が両方ＯＦＦの場合にＯＦＦとなり、前記第１電圧低下判定信号と前記第２電圧低下判定信号のうち少なくとも何れか一方がＯＮの場合にＯＮとなる第３電圧低下判定信号を出力する第３電圧低下判定部と、
   前記第３電圧低下判定信号がＯＦＦの場合、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差に基づいたＰＩ制御の出力に、前記電圧実効値を加算した値をｄ軸電圧指令値として出力し、前記第３電圧低下判定信号がＯＮの場合、前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流検出値の偏差に基づいたＰＩ制御の出力に、前記ｄ軸電圧を加算した値を前記ｄ軸電圧指令値として出力するｄ軸インバータ電流制御部と、
   前記第３電圧低下判定信号がＯＦＦの場合、ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値との偏差に基づいたＰＩ制御の出力をｑ軸電圧指令値として出力し、前記第３電圧低下判定信号がＯＮの場合、前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流検出値との偏差に基づいたＰＩ制御の出力に、前記ｑ軸電圧を加算した値を前記ｑ軸電圧指令値として出力するｑ軸インバータ電流制御部と、
   を、備え、前記ｄ軸電圧指令値と、前記ｑ軸電圧指令値に基づいてインバータを制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１系統電圧低下判定部は、
   前記電圧差分が切替設定電圧レベルよりも小さくなってから設定時間経過した時に前記第１電圧低下判定信号をＯＦＦとすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第２系統電圧低下判定部は、
   前記ＤＱ位相の絶対値が切替位相設定レベルよりも小さくなってから設定時間経過した時に前記第２電圧低下判定信号をＯＦＦとすることを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。

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