JPWO2014133123A1 - 電力システム、電力管理方法、及びプログラム - Google Patents

電力システム、電力管理方法、及びプログラム Download PDF

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Abstract

電力システム(10)は、入力電源(200)に接続される電力変換器(110)と、電力変換器(110)の出力側に互いに並列に接続される電池(120)および負荷(130)と、電池(120)の充放電を制御する制御装置(140)と、を備え、制御装置(140)は、電力変換器(110)の出力電力を取得し、取得した出力電力に基づいて、出力電力が所定値に近付くように、電池(120)の充放電電力を決定し、決定された充放電電力に基づいて電池(120)を充放電する。

Description

本発明は、電力システム、電力管理方法、及びプログラムに関する。
近年、商用電源と蓄電池とを用いた様々な電力システムが普及している。このような電力システムでは、商用電源及び蓄電池が、直流電力と交流電力とを双方向に変換する電力変換器等を介して接続されており、当該電力変換器を用いて互いに電力のやり取りをしている。そして、このような電力変換器の多くは、定格に近い値で動作するときに、最大の電力変換効率が得られるように設計されている。しかしながら、電力変換器の動作状態は、接続された負荷の電力使用量など、様々な要因で変動し得る。そのため、電力変換器は常に定格に近い値で動作できるわけではない。つまり、電力変換器は、定格よりも大幅に小さい値で動作する可能性があり、当該電力変換器の電力変換効率が大幅に低下して損失を増大させる恐れがある。
特許文献1には、電力変換器による電力変換時の損失を低減させる技術の一例が開示されている。特許文献1に開示されている交流電力供給装置は、複数のDC/ACインバータを有しており、各々のDC/ACインバータの出力電力と変換効率との関係に基づいて、最も電力変換効率が高くなるように、複数のDC/ACインバータの組み合わせを選択し、電力変換時の損失を低減している。
特開2010−98862号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、複数のインバータや各インバータを切り替えるための複数のスイッチ等、複雑な構成が必要になるため、制御が煩雑化したり、製造コスト又は製品サイズが増大したりする恐れがある。
本発明の目的は、より簡易な構成で電力変換時の損失の低減を実現し得る、電力システム、電力管理方法、及びプログラムを提供することにある。
本発明によれば、
入力電源に接続される電力変換器と、
前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電力変換器の出力電力を取得し、
前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する、
電力システムが提供される。
本発明によれば、
入力電源に接続される電力変換器と、
前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御装置と、を用意し、
前記制御装置は、
前記電力変換器の出力電力を取得し、
前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する、
ことを含む電力管理方法が提供される。
本発明によれば、
入力電源に接続される電力変換器と、
前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御装置と、を備える電力システムにおいて、前記制御装置により実行されるプログラムであって、
前記制御装置に、
前記電力変換器の出力電力を取得する機能と、
前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定する機能と、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する機能と、
を実現させるプログラムが提供される
本発明によれば、より簡易な構成で電力変換器の電力変換時の損失を低減できる。
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
本発明の電力システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の電力システムの処理の流れを示すフローチャートである。 電力変換器の出力電力と電力変換効率の関係の一例を示す図である。 本発明の電力システムの他の構成例を示すブロック図である。 本発明の電力システムの他の構成例を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
[実施形態]
図1は、本発明の電力システム10の構成例を示すブロック図である。図1において、電力システム10は、電力変換器110、電池120、負荷130、及び制御装置(制御部)140を備える。
電力変換器110は、入力電源200から供給される電力を変換する。電力変換器110は、例えば、AC(Alternating Current)/DC(Direct Current)インバータ、DC/DCコンバータ、及びAC/ACコンバータ等である。また、電力変換器110は、これらのインバータ及びコンバータを複数用いて構成されていてもよい。また、電力変換器110は、一方向に電力を変換する構成であっても、双方向に電力を変換する構成であってもよい。
電池120は、電力変換器110を通る電力を調整し、所定の値に近づける役割を果たす。具体的には、電池120が充電されている場合、電力変換器110を通る電力は、電池120の充電電力と負荷130で消費される電力とを加算した値に等しくなる。一方、電池120が放電している場合、電力変換器110を通る電力は、負荷130で消費される電力から電池120の放電電力を減算した値に等しくなる。このように、電池120の充放電動作を制御することにより、電力変換器110を通る電力が調整される。なお、この電池120の充放電動作は、後述する制御装置140によって制御される。
負荷130は、入力電源200から供給される電力や、電池120に蓄えられた電力を用いて動作する電気機器である。負荷130の具体的な例としては、家庭用電化製品や、EV(Electric Vehicle)又はPHV(Plug-in Hybrid Vehicle)等が挙げられる。また、図示しないが、負荷130は複数接続されていてもよい。
制御装置140は、電池120の充放電動作を制御する。詳細には、制御装置140は、電力変換器110の出力電力に基づいて、当該電力変換器110の出力電力が所定値に近付くように、電池120の充放電動作を制御する。ここでいう"所定値"は、電力変換器110の電力変換効率を大きくするような値である。また、この"所定値"は、好ましくは電力変換器110の電力変換効率を最大にする値であり、例えば電力変換器110の定格値が採用される。また、この所定値は、例えば制御装置140に予め設定されていてもよいし、制御装置140または制御装置140と通信可能に接続された外部装置(不図示)の記憶部から取得されてもよい。また、この所定値は、例えば、定格値の±5%の範囲のように、一定の範囲を含むように設定されてもよい。制御装置140は、電力変換器110の出力電力が所定値より小さい場合、電池120を充電させる。この場合、電池120は負荷のように機能する。これにより、電力変換器110の出力電力を増加させ、所定値に近づけることができる。また、制御装置140は、電力変換器110の出力電力が所定値より大きい場合、電池120を放電させる。この場合、電池120は補助電源のように機能する。これにより、電力変換器110の出力電力を低下させ、所定値に近づけることができる。
なお、図1に示した制御装置140は、任意のコンピュータのCPU、メモリ、メモリにロードされた本図の構成要素を実現するプログラム、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶メディア、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置には様々な変形例がある。
本実施形態の電力システム10の動作例について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の電力システム10の処理の流れを示すフローチャートである。
制御装置140は、例えば1秒毎など、定期的に電力変換器110の出力電力を取得する(S102)。そして、制御装置140は、S102で取得した、電力変換器110の出力電力と所定値を比較する(S104)。なお、ここでは、電力変換器110の出力電力と電力変換効率が、図3に示すような関係を示すとする。図3は、電力変換器110の出力電力と電力変換効率の関係の一例を示す図である。この場合、電力変換器110の定格(2[kW])が所定値として採用される。
比較した結果、出力電力が所定値よりも小さい場合(S104:A)は、制御装置140は電池120の充電処理を実行する。詳細には、まず、制御装置140は、電池120の充電電力を決定する(S106)。ここで、制御装置140は、S102で取得した、電力変換器110の出力電力と所定値との差分に基づいて、電池120の充電電力を決定する。例えば、電力変換器110の所定値が2[kW]であり、S102で取得された電力変換器110の出力電力が1[kW]である場合、制御装置140は、電池120を1[kW]で充電させることにより、電力変換器110の出力を所定値の2[kW]に増加させることができる。よって、この場合、制御装置140は、電池120の充電電力を1[kW]に決定する。そして、制御装置140は、S106で決定された充電電力に基づいて、電池120の充電処理を開始させる(S108)。
また、比較した結果、出力電力が所定値よりも大きい場合(S104:B)は、制御装置140は電池120の放電処理を実行する。詳細には、まず、制御装置140は、電池120の放電電力を決定する(S110)。ここで、制御装置140は、S102で取得した、電力変換器110の出力電力と所定値との差分に基づいて、電池120の放電電力を決定する。例えば、電力変換器110の所定値が2[kW]であり、S102で取得された電力変換器110の出力電力が2.5[kW]である場合、制御装置140は、電池120を0.5[kW]で放電させることにより、電力変換器110の出力を所定値の2[kW]に低減させることができる。よって、この場合、制御装置140は、電池120の放電電力を0.5[kW]に決定する。そして、制御装置140は、S110で決定された充電電力に基づいて、電池120の放電処理を開始させる(S112)。
また、比較した結果、出力電力が所定値と等しい場合(S104:C)は、電力変換器110の電力変換効率が既に最大の状態であるため、制御装置140は、電池120の充放電処理を行わない。
以上、本実施形態では、電力変換器110の出力電力と、電力変換器110の電力変換効率を最大にする所定値とが比較され、その結果に応じて、電池120の充放電処理が実行される。詳細には、電力変換器110の出力電力が所定値よりも小さい場合は、電池120の充電処理が実行され、電力変換器110の出力電力が所定値よりも大きい場合は、電池120の放電処理が実行される。これにより、本実施形態によれば、電力変換器110の電力変換効率を最大値に近づけて、電力変換時の損失を低減させることができる。また、本実施形態によれば、複数の電力変換器を有し、その中で電力変換効率が最大になる組み合わせを選択するような複雑な構成等を採用しなくとも、簡易な構成で電力変換時の損失を低減させることができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
例えば、図4のような構成を採用することもできる。図4は、本発明の電力システム10の他の構成例を示すブロック図である。図4に示される電力システムは、交流の入力電源200に接続される双方向インバータ110cと、当該双方向インバータ110cに直流バス112を介して互いに並列に接続される双方向インバータ110a、110bと、双方向インバータ110aに互いに並列に接続される電池120a及び負荷130aと、双方向インバータ110bに互いに並列に接続される電池120b及び負荷130bと、電池120a及び120bの充放電動作を制御する制御装置140と、を有する。なお、図4において、双方向インバータ110a〜110cは、上述の実施形態の電力変換器110に相当する。制御装置140は、双方向インバータ110a〜110cそれぞれの出力電力を取得している。制御装置140は、双方向インバータ110a〜110cの出力電力に基づいて、電池120a及び120bのうち、どちらの電池の充放電動作を制御すればよいか判断する。
ここで、双方向インバータ110a〜110cが図3に示すような特性を示すものとし、負荷130bのみが1[kW]の電力を消費している例を考える。この場合、双方向インバータ110b及び110cの出力電力は1[kW]になり、双方向インバータ110aは使用されない。そのため、制御装置140は、電池120bを1[kW]で充電させ、双方向インバータ110b及び110cの出力電力を定格の2[kW]に近づけるように動作する。これにより、電力システム10全体における電力変換効率が向上する。
また、他の例として、負荷130aが1[kW]の電力を消費し、負荷130bが2[kW]の電力を消費している例を考える。この場合、双方向インバータ110aの出力電力は1[kW]、双方向インバータ110bの出力電力は2[kW]、双方向インバータ110cの出力電力は3[kW]になる。ここで、双方向インバータ110aについては、出力電力が所定値より小さいため、出力電力を上げる必要がある。一方、双方向インバータ110cについては、出力電力が所定値より大きいため、出力電力を下げる必要がある。そのため、制御装置140は、電池120aを1[kW]で充電し、電池120bを2[kW]で放電させる。このようにすることで、双方向インバータ110a及び110cの出力電力は定格の2[kW]になり、電力変換効率が向上する。また、双方向インバータ110bは、負荷130bが電池120bから供給される電力のみによって動作するため使用されない。これにより、電力システム10全体における電力変換効率が向上する。
以上、図4のような構成を採用しても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、他の例として図5のような構成を採用することもできる。図5は、本発明の電力システム10の他の構成例を示すブロック図である。
図5の例において、電力システム10は複数の電力変換器110(電力変換器110−1および電力変換器110−2)を有する。電力変換器110−1は入力電源200−1との間でやり取りされる電力を変換し、電力変換器110−2は入力電源200−2との間でやり取りされる電力を変換する。また、電力変換器110−1および電力変換器110−2は双方向インバータを介して互いに接続されており、電力変換器110−1と電力変換器110−2との間で電力をやり取りすることもできる。なお、複数の電力変換器110を有する場合の電力システム10の構成は図5に限定されない。
図5に示される例によれば、電力変換器110−2および電池120から供給される電力を用いて、変換効率の高い電力で電力変換器110−1を動作させることができる。また、図5に示される例によれば、電力変換器110−1および電池120から供給される電力を用いて、変換効率の高い電力で電力変換器110−2を動作させることができる。以下では、電力変換器110−2および電池120から供給される電力を用いて、変換効率の高い電力で電力変換器110−1を動作させる場合を例示する。なお、本例において、電力変換器110−1の所定値は1[kW]、電力変換器110−2の所定値は2[kW]と仮定する。なお、上述したように、この所定値は好ましくは電力変換効率を最大にする値であり、例えば、各々の電力変換器110の定格値が各々の所定値としてそれぞれ採用される。
ここで、負荷130において2.5[kW]の電力が消費されており、この消費電力を電力変換器110−1からの電力のみで賄うとすると、電力変換器110−1の出力電力値が所定値(1[kW])から離れてしまい、電力変換効率が悪化する。そこで、制御装置140は、電力変換器110−2または電池120を補助電源として用いて、電力変換器110−1の出力電力を所定値に近づける。具体的には、制御装置140は、電力変換器110−2または電池120から、消費電力2.5[kW]と電力変換器110−1の所定値1[kW]の差分である1.5[kW]の電力を出力させ、電力変換器110−1の出力電力を所定値の1[kW]に近づける。
ここで、入力電源200−2が、例えば、太陽光などの自然エネルギーを用いて単価ゼロで発電可能な発電装置であり、電力変換器110−2の電力変換効率を特に気にしなくてもよい場合は、制御装置140は、電力変換器110−2のみ、あるいは、電力変換器110−2および電池120を用いて合計1.5[kW]の電力を出力させる。このようにすることで、電力変換器110−1を電力変換効率の高い所定値で動作させることができ、電力システム10全体の電力変換効率を向上させることができる。
また、電力変換器110−2の電力変換効率も考慮する必要がある場合は、制御装置140は、電力変換器110−2の出力値も所定値に近づけるように電池120を充放電させる。具体的には、制御装置140は、電池120を0.5[kW]で充電させて全体で必要な電力を3[kW]とし、電力変換器110−1および電力変換器110−2からそれぞれ1[kW]および2[kW]の電力を供給させるように制御する。このようにすることで、電力変換器110−1および電力変換器110−2の双方を所定値の電力で動作させることができ、電力システム10全体の電力変換効率を向上させることができる。
また、電力変換器110−1と電力変換器110−2との間で電力をやり取りする場合においても、電力変換効率を向上させることができる。詳細には、制御装置140は、電池120が充電または放電可能な場合に、電力変換器110−1の所定値と電力変換器110−2の所定値との差分に基づく充放電電力で、電池120を充放電させる。このようにすることで、電力変換器110−1および電力変換器110−2の各々を電力変換効率の高い所定値に近い電力で動作させることができる。
また、電力変換器110−1と電力変換器110−2との間で電力をやり取りする際に電池120を放電させた場合、制御装置140は、電力のやり取りが完了した後で電力供給側の電力変換器110から電力を用いて電池120を充電し、電池120が放電した電力を補うようにしてもよい。
具体的な例として、電力変換器110−1から電力変換器110−2に2[kWh]の電力量を融通(送電)するような場合を考える。この場合、制御装置140は、電力変換器110−1の所定値1[kW]および電力変換器110−2の所定値2[kW]に基づいて電池120の充放電電力を決定する。詳細には、供給側の電力変換器110−1を電力変換器110−1の所定値である1[kW]の電力で動作させた場合、被供給側の電力変換器110−2では、電力変換器110−2の所定値である2[kW]に対して1[kW]分の電力が不足することになり、電力変換器110−2の電力変換効率が十分に得られない。そこで、制御装置140は、電力変換器110−2を所定値の電力で動作させるために、電池120を1[kW]で放電させ、その電力を電力変換器110−2に供給する。これにより、電力変換器110−1からの電力1[kW]に電池120からの放電電力1[kW]を足し合わせた2[kW]の電力が、電力変換器110−2に供給される。そして、制御装置140はこの状態を1時間保ち、電力変換器110−2に2[kWh]の電力量を融通する。また、電力変換器110−2に電力を融通した後、制御装置140は、電池120が放電した電力を補うために電池120を充電させる。具体的には、制御装置140は、電力変換器110−1から1[kW]の電力を電池120に対して出力させて、電池120を1時間充電する。これにより、電池120が電力融通によって消費した電力を補うことができる。このようにすることで、電力変換器110−1および電力変換器110−2の双方を電力変換効率のよい所定値の電力で動作させ、電力システム10全体の電力変換効率を向上させることができる。
また、他の例として、電力変換器110−2から電力変換器110−1に2[kWh]の電力量を融通するような場合を考える。この例において、供給側の電力変換器110−2を電力変換器110−2の所定値である2[kW]の電力で動作させた場合、被供給側の電力変換器110−1では、電力変換器110−1の所定値である1[kW]に対して1[kW]分の電力が超過することになり、電力変換器110−2の電力変換効率が十分に得られない。そこで、制御装置140は、電力変換器110−1を所定値の電力で動作させるために、超過分の電力(1[kW])を用いて電池120を充電させる。これにより、電力変換器110−2からの電力2[kW]から電池120への充電電力1[kW]を差し引いた1[kW]の電力が、電力変換器110−1に供給される。そして、制御装置140はこの状態を2時間保ち、電力変換器110−1に2[kWh]の電力量を融通する。このようにすることで、電力変換器110−1および電力変換器110−2の双方を電力変換効率のよい所定値の電力で動作させ、電力システム10全体の電力変換効率を向上させることができる。
また、図5では、電力変換器110を2つ接続する場合について例示したが、これに限らず、電力変換器110を3つ以上接続しても同様の効果を得ることができる。
また、図5の例では、以下の発明が開示されている。すなわち、
各々異なる入力電源に接続される複数の電力変換器と、
前記複数の電力変換器の間で、互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電力変換器の動作電力を前記複数の電力変換器ごとに取得し、
前記取得した動作電力に基づいて、前記電力変換器ごとの動作電力が、前記複数の電力変換器それぞれの所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電させる、
電力システム、が開示されている。
また、上述した実施形態において、電池120の個数は複数であってもよい。電池120を複数有する構成とすれば、充放電によって調整できる電力の幅を広げることができる。
また、上述の説明で用いたフローチャートでは、複数の工程(処理)が順番に記載されているが、各実施形態で実行される工程の実行順序は、その記載の順番に制限されない。各実施形態では、図示される工程の順番を内容的に支障のない範囲で変更することができる。
以下、参考形態の例を付記する。
1.
入力電源に接続される電力変換器と、
前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電力変換器の出力電力を取得し、
前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する、
電力システム。
2.
前記制御部は、
前記電力変換器の出力電力が前記所定値より小さい場合は、前記電池を充電させ、
前記電力変換器の出力電力が前記所定値より大きい場合は、前記電池を放電させる、
1.に記載の電力システム。
3.
前記所定値は、前記電力変換器の電力変換効率が最大となる値に設定されている、
1.又は2.に記載の電力システム。
4.
入力電源に接続される電力変換器と、
前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御装置と、を用意し、
前記制御装置は、
前記電力変換器の出力電力を取得し、
前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する、
ことを含む電力管理方法。
5.
入力電源に接続される電力変換器と、
前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
前記電池の充放電を制御する制御装置と、を備える電力システムにおいて、前記制御装置により実行されるプログラムであって、
前記制御装置に、
前記電力変換器の出力電力を取得する機能と、
前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定する機能と、
前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する機能と、
を実現させるプログラム。
6.
前記制御装置が、
前記電力変換器の出力電力が前記所定値より小さい場合は、前記電池を充電させ、
前記電力変換器の出力電力が前記所定値より大きい場合は、前記電池を放電させる、
ことを含む4.に記載の電力管理方法。
7.
前記所定値は、前記電力変換器の電力変換効率が最大となる値に設定されている、
ことを含む4.又は6.に記載の電力管理方法。
8.
前記制御装置に、
前記電力変換器の出力電力が前記所定値より小さい場合は、前記電池を充電させ、
前記電力変換器の出力電力が前記所定値より大きい場合は、前記電池を放電させる機能、
を実現させる5.に記載のプログラム。
9.
前記所定値は、前記電力変換器の電力変換効率が最大となる値に設定されている、
5.又は8.に記載のプログラム。
この出願は、2013年3月1日に出願された日本出願特願2013−040396号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (5)

  1. 入力電源に接続される電力変換器と、
    前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
    前記電池の充放電を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記電力変換器の出力電力を取得し、
    前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
    前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する、
    電力システム。
  2. 前記制御部は、
    前記電力変換器の出力電力が前記所定値より小さい場合は、前記電池を充電させ、
    前記電力変換器の出力電力が前記所定値より大きい場合は、前記電池を放電させる、
    請求項1に記載の電力システム。
  3. 前記所定値は、前記電力変換器の電力変換効率が最大となる値に設定されている、
    請求項1又は2に記載の電力システム。
  4. 入力電源に接続される電力変換器と、
    前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
    前記電池の充放電を制御する制御装置と、を用意し、
    前記制御装置は、
    前記電力変換器の出力電力を取得し、
    前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定し、
    前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する、
    ことを含む電力管理方法。
  5. 入力電源に接続される電力変換器と、
    前記電力変換器の出力側に互いに並列に接続される電池および負荷と、
    前記電池の充放電を制御する制御装置と、を備える電力システムにおいて、前記制御装置により実行されるプログラムであって、
    前記制御装置に、
    前記電力変換器の出力電力を取得する機能と、
    前記取得した出力電力に基づいて、前記出力電力が所定値に近付くように、前記電池の充放電電力を決定する機能と、
    前記決定された充放電電力に基づいて前記電池を充放電する機能と、
    を実現させるプログラム。
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