KR101545174B1 - 계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치는 입력 받은 풍력 발전기의 기 설정된 주요 설정 정보, 풍속 정보, 풍력발전 시스템의 운전 상태를 기반으로 계통 출력 전력 정보를 생성하는 풍력발전 모의모델; 생성된 상기 계통 출력 전력 정보를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력이 발전될 수 있도록 제어하는 출력 제어기; 및 상기 제어에 따라 전력 계통에 계통 출력 전력을 발전시키는 계통연계 인버터를 포함한다.

Description

계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법 {APPARATUS FOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 풍력발전 시스템 모의 장치에 관한 것으로서, 특히, 계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
풍력발전시스템은 바람의 운동에너지를 기계적인 회전력으로 변환하여 전기를 발생시키는 발전시스템이다. 풍력발전시스템은 에너지원인 풍속의 가변성에 기인한 출력의 불규칙성으로 인해 주변 계통 수용가와 부하의 전압, 주파수 등의 전력품질을 저하시킬 수 있으며 수용가 인근에 위치하여 기존의 보호협조체제로 정확한 사고검출 및 차단이 어려울 수 있다. 따라서 풍력발전시스템을 계통에 연계하기에 앞서 풍력발전시스템의 과도현상 및 정상상태에 의한 주변 계통의 전기품질 및 보호체계에 미치는 영향을 검토하는 것이 필요하다.
그러나 바람과 같은 시변성과 비선형성이 강한 자연 환경에 의해 시스템의 운전이 결정되기 때문에 실험을 위한 시스템의 상태 예측과 재현이 불가능하므로 특정 운전 조건을 재현할 수 있는 실험 장치가 필수적이다. 특정 운전 조건을 구현하는 방법으로는 풍동실험 장치와 같이 물리적인 현상을 재현하는 방법과 적절한 컴퓨터 시뮬레이션과 하드웨어를 동시에 이용하는 모의실험 장치를 이용하는 방법이 있다.
전자의 풍동 실험 시스템을 이용하는 방법은 많은 비용을 필요로 하며 실험 설정이나 실험 대상이 변경될 시 직접 시스템을 교체해야 하므로 많은 시간 및 노력이 투자되어야 하며 대상 시스템의 크기와 용량에 많은 제약이 존재한다. 또한 후자의 모의실험 장치를 이용한 현재까지의 방법은 직류 전동기와 유도 발전기 혹은 동기 발전기를 이용하며 풍력 터빈이 발전기에 가하는 토크를 직류 전동기의 전류 제어를 이용하여 구현하는 방법을 사용하고 있다. 이 또한 대부분 실험실 수준으로 실시간 모의에 대한 신뢰성이 충분히 검증되지 않은 상태이며 터빈 모델의 변경이나 주요 파라미터의 변경이 개발자에 의해서만 가능하기 때문에 시스템의 사용이 제한적이다.
따라서 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 소프트웨어로 풍력발전시스템 모의 모델을 구현하여 구현된 풍력발전시스템 모의 모델을 이용하여 임의의 풍력발전시스템을 임의의 시스템 운전 조건에서 실시간으로 모의하도록 하는 계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템을 모의하기 위한 장치는, 입력 받은 풍력 발전기의 기 설정된 주요 설정 정보, 풍속 정보, 풍력발전 시스템의 운전 상태를 기반으로 계통 출력 전력 정보를 생성하는 풍력발전 모의모델; 생성된 상기 계통 출력 전력 정보를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력이 발전될 수 있도록 제어하는 출력 제어기; 및 상기 제어에 따라 전력 계통에 계통 출력 전력을 발전시키는 계통연계 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 풍력발전 모의모델은, 입력 받은 상기 풍력 발전기의 기 설정된 주요 설정 정보와 풍속 정보로부터 풍력발전 시스템의 운전 상태를 결정하고 그 결정된 운전 상태에 따라 상기 계통 출력 전력 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 풍력발전 모의모델은, 발전기 회전속도와 계통출력을 기반으로 풍력발전기의 회전속도 제어값을 산출하고, 그 산출된 회전속도 제어값과 회전 날개각을 기반으로 회전날개 제어각을 산출하며, 산출된 상기 회전날개 제어각과 ?속을 기반으로 발전기에 입력되는 회전력을 산출하며, 그 산출된 회전력과 출력으로부터 만들어지는 부하토크를 기반으로 발전기의 회전속도를 산출하며, 산출된 상기 발전기의 회전속도를 기반으로 상기 전력 계통에 발전시킬 상기 계통 출력 전력을 산출할 수 있다.
또한 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 방법은, 풍력발전 모의모델이 입력 받은 풍력 발전기의 기 설정된 주요 설정 정보, 풍속 정보, 풍력발전 시스템의 운전 상태를 기반으로 계통 출력 전력 정보를 생성하는 단계; 출력 제어기가 생성된 상기 계통 출력 전력 정보를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력이 발전될 수 있도록 제어하는 단계; 및 계통연계 인버터가 상기 제어에 따라 전력 계통에 계통 출력 전력을 발전시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 생성하는 단계는, 입력 받은 상기 풍력 발전기의 기 설정된 주요 설정 정보와 풍속 정보로부터 풍력발전 시스템의 운전 상태를 결정하고 그 결정된 운전 상태에 따라 상기 계통 출력 전력 정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 생성하는 단계는, 발전기 회전속도와 계통출력을 기반으로 풍력발전기의 회전속도 제어값을 산출하고, 그 산출된 회전속도 제어값과 회전 날개각을 기반으로 회전날개 제어각을 산출하며, 산출된 상기 회전날개 제어각과 ?속을 기반으로 발전기에 입력되는 회전력을 산출하며, 그 산출된 회전력과 출력으로부터 만들어지는 부하토크를 기반으로 발전기의 회전속도를 산출하며, 산출된 상기 발전기의 회전속도를 기반으로 상기 전력 계통에 발전시킬 상기 계통 출력 전력을 산출할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 소프트웨어로 풍력발전시스템 모의 모델을 구현하여 구현된 풍력발전시스템 모의 모델을 이용하여 임의의 풍력발전시스템을 임의의 시스템 운전 조건에서 실시간으로 모의하도록 함으로써, 풍동 실험 장치와 동일한 효과를 얻으면서 설비의 구축과 시험에 필요한 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 임의의 풍력발전시스템을 임의의 운전 조건에서 실시간으로 모의하기 때문에 실제 운전 상황과 동일한 효과를 실시간으로 신뢰성을 가지고 재현할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 풍력발전시스템의 정적, 동적 특성 파악 및 계통 연계 운전시 발생할 수 있는 문제점을 검토하는데 유용한 수단을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 소프트웨어로 구현된 풍력발전시스템을 이용하기 때문에 시스템의 구현 및 구성이 쉬우며 단일 전력변환장치로 구현되기 때문에 구현이 간단하며, 다양한 풍력터빈 및 발전기 모델을 사용할 수 있기 때문에 이에 대한 변경이 용이하여 사용의 편리성을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 전력변환장치 기반 출력 제어 명령을 이용하기 때문에 전동기의 종류에 제한을 받지 않으며 모의장치 개발에 투입되는 비용과 시간을 감소시킬 뿐 아니라 시스템 동작의 신뢰성 및 안정성을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전시스템을 모의하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모의모델의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전시스템을 모의하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 계통연계 인버터를 이용하여 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
특히, 본 발명에서는 소프트웨어로 풍력발전시스템 모의 모델을 구현하여 구현된 풍력발전시스템 모의 모델을 이용하여 임의의 풍력발전시스템을 임의의 시스템 운전 조건에서 실시간으로 모의하도록 하는 새로운 풍력발전시스템 모의 방안을 제안한다.
여기서, 풍력발전 시스템이란 일반적으로 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력계통에 전력을 생산하는 시스템으로서, 전력계통의 관점에서는 교류 전압에 대하여 교류 전류를 만들어내는 전원 장치를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전시스템을 모의하기 위한 장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치는 계통연계인버터 제어기(100) 및 계통연계 인버터(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
계통연계인버터 제어기(100)는 계통연계 인버터(200)를 제어하기 위한 것으로서, 이는 풍력발전 모의모델(Wind Turbine Model)(110), 출력 제어기(Power Controller)(120)로 구성될 수 있다.
풍력발전 모의모델(110)은 풍력 발전기의 특성 및 풍력발전 시스템의 정적, 동적 특성 평가를 위한 실시간 모의 모델로서, 모의 장치에서 모의하고자 하는 풍력발전 시스템의 블레이드, 터빈, 발전기 모델, 제어 시스템을 모델링한 것이며 소프트웨어로 구현될 수 있다.
풍력발전 모의모델(110)은 풍력 발전기의 기 설정된 주요 설정 정보와 풍속 정보로부터 풍력발전 시스템의 운전 상태를 결정하고 그 결정된 운전 상태에 따른 계통 출력 전력 정보 Pg *를 생성하고 생성된 계통 출력 전력 정보 Pg *를 출력 제어기(120)에 제공할 수 있다.
출력 제어기(120)는 계통연계 인버터(220)의 출력을 제어할 수 있다. 이러한 출력 제어기(120)는 기존의 계통연계 인버터의 계통 연계와 출력 전류를 제어하는 제어기이며 범용적으로 사용하는 전류 제어기와 동일하다.
출력 제어기(120)는 풍력발전 모의모델(110)로부터 생성된 계통 출력 전력 정보 Pg *를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보 Pg *를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력 Pg가 발전될 수 있도록 계통연계 인버터(200)를 제어할 수 있다.
계통연계 인버터(200)는 기존의 계통연계 인버터와 동일한 구조를 갖는 장치이다. 계통연계 인버터(200)는 제어에 따라 계통 출력 전력 Pg가 발전될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 풍력발전 시스템 모의 장치는 실제 풍력발전 시스템이 계통에 공급하는 전력의 변화를 모의하여 기존의 풍력발전 시스템 모의 장치와 동일한 효과를 얻으면서 설비의 구축과 시험에 필요한 비용과 시간을 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모의모델의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전시스템의 모의모델(110)은 최대출력 제어기[MPPT(Maximum Power Point Tracking) controller](111), 피치각 제어기(pitch controller)(112), 회전날개 모델(blade model)(113), 발전기 모델(generator model)(114), 출력명령 발생기(power command generator)(115) 등을 포함할 수 있다.
최대출력 제어기(111)는 발전기 회전속도 ωg와 현재의 계통출력 Pg를 기반으로 풍력발전기의 회전속도 제어값 ωg *를 산출할 수 있다. 상술한 회전속도 제어값 ωg *의 산출 방법은 현재의 풍속정보로부터 터빈의 회전속도가 최적이 되도록 제어하는 방법, 터빈의 특성곡선을 기반으로 하여 출력전력 및 회전속도의 변동으로부터 터빈의 회전속도를 제어하는 방법, 터빈특성곡선을 바탕으로 실제 풍력발전시스템을 구동하여 터빈의 회전속도에 대한 출력지령을 룩업(look up) 테이블로 생성하여 제어하는 방법 등 공지의 방법을 사용하여 구할 수 있다.
피치각 제어기(112)는 최대출력 제어기(111)에서 산출된 회전속도 제어값 ωg *과 회전 날개각 β을 기반으로 회전날개 제어각 β*를 산출할 수 있다. 회전날개 제어각 β*는 일반적으로 PI 제어기를 사용하여 피치 구동장치(pitch actuator)에 의해 목표 피치각을 제어한다.
회전날개 모델(113)은 산출된 회전날개 제어각 β*과 풍속 Ws을 기반으로 발전기에 입력되는 회전력 Tblade을 산출하며, 발전기 모델(114)은 산출된 회전력 Tblade과 출력으로부터 만들어지는 부하토크 Tg를 기반으로 발전기의 회전속도 ωg를 산출할 수 있다. 또한 출력명령 발생기(115)는 산출된 회전속도 ωg를 기반으로 전력 계통에 발전할 발전기 출력 Pg *를 산출할 수 있다.
이를 보다 자세히 설명하면, 풍력 터빈 모의 장치의 제어는 풍속과 풍력 터빈의 회전 날개의 풍속 에너지 변환 특성을 모의한 회전 날개 모델, 회전 날개와 각종 기계장치의 기계적인 동특성과 발전기의 동적 응답을 포함하는 발전기 모델로 구성될 수 있다. 회전 날개 모델은 임의의 풍속과 현재의 풍력 터빈의 회전 속도 ωg를 입력으로 하여 풍력 터빈의 회전 날개에서 발생되는 기계적인 회전력 Tblade을 모의할 수 있다. 또한 발전기 모델은 회전 날개에서 발생된 기계적 회전력 회전력 Tblade와 풍력 발전기에서 출력되고 있는 전기적인 회전력인 부하토크 Tg를 입력으로 하여 풍력 발전기의 회전 속도 ωg를 모의할 수 있다.
여기서 풍력 발전 시스템의 회전력 Tblade는 예를 들어 아래의 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013119008119-pat00001
Figure 112013119008119-pat00002

여기서 λ = tip speed ratio (TSR)
ωM = 블레이드의 각 속도 [rad/s]
R = 블레이드 반지름 [m]
VWIND = 풍속 [m/s]
PM = 기계적인 출력 [kW]
ρ = 대기밀도 [kg/m3]
CP = 출력계수
Tblade = 기계적인 토크 [Nm]
위의 수식에서 얻은 토크는 풍력발전기의 입력토크로 들어가서 발전기를 구동하게 된다. 위의 수식들에서도 알 수 있듯이, 특정 풍속에서의 풍력터빈의 출력은 출력계수에 전적으로 의존한다. 출력계수는 일반적으로 풍력터빈의 출력성능시험에 의해 얻은 실측 데이터를 수식화하여 얻을 수 있으며, 예를 들어 아래의 수학식 2를 사용할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013119008119-pat00003
여기서 β는 피치각이다.
위에서 계산된 풍력 발전 시스템의 회전력 Tblade로부터 인버터의 출력 Pg는 입력 토크에 비례하여 아래 수학식 3과 같이 결정될 수 있다.
[수학식 3]
Pg = Tblade * Wg
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전시스템을 모의하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전 모의모델(110)은 풍력 발전기의 주요 설정 정보와 풍속 정보로부터 풍력발전 시스템의 운전 상태를 결정할 수 있다(S310).
다음으로, 풍력발전 모의모델(110)은 결정된 운전 상태에 따른 계통 출력 전력 정보 Pg *를 생성하고(S320), 생성된 계통 출력 전력 정보 Pg *를 출력 제어기(120)에 제공할 수 있다(S330).
구체적으로 설명하면, 풍력발전 모의모델(110)은 발전기 회전속도 Wg와 계통출력 Pg를 기반으로 풍력발전기의 회전속도 제어값 Wg *를 산출하고, 그 산출된 회전속도 제어값 Wg *과 회전 날개각 β을 기반으로 회전날개 제어각 β*를 산출하게 된다.
풍력발전 모의모델(110)은 산출된 회전날개 제어각 β*과 ?속 Ws을 기반으로 발전기에 입력되는 회전력 Tblade을 산출하며, 그 산출된 회전력 Tblade과 출력으로부터 만들어지는 부하토크 Tg를 기반으로 발전기의 회전속도 Wg를 산출하게 된다.
풍력발전 모의모델(110)은 산출된 회전속도 Wg를 기반으로 전력 계통에 발전할 발전기 출력 Pg *를 산출하고 그 산출된 발전기 출력 Pg *를 출력 제어기(120)에 제공하게 된다.
다음으로, 출력 제어기(120)는 풍력발전 모의모델(110)로부터 생성된 계통 출력 전력 정보 Pg *를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보 Pg *를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력 Pg가 발전될 수 있도록 계통연계 인버터(200)를 제어할 수 있다(S340).
한편, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 계통연계인버터 제어기
110: 풍력발전 모의모델
111: 최대출력 제어기
112: 피치각 제어기
113: 회전날개 모델
114: 발전기 모델
115: 출력명령 발생기
120: 출력 제어기
200: 계통연계 인버터

Claims (6)

  1. 발전기 회전속도와 계통출력을 기반으로 풍력발전기의 회전속도 제어값을 산출하고, 그 산출된 회전속도 제어값과 회전 날개각을 기반으로 회전날개 제어각을 산출하며, 산출된 상기 회전날개 제어각과 ?속을 기반으로 발전기에 입력되는 회전력을 산출하며, 그 산출된 회전력과 출력으로부터 만들어지는 부하토크를 기반으로 발전기의 회전속도를 산출하며, 산출된 상기 발전기의 회전속도를 기반으로 전력 계통에 발전시킬 계통 출력 전력 정보를 산출하는 풍력발전 모의모델;
    생성된 상기 계통 출력 전력 정보를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력이 발전될 수 있도록 제어하는 출력 제어기; 및
    상기 제어에 따라 전력 계통에 계통 출력 전력을 발전시키는 계통연계 인버터를 포함하는 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 풍력발전 모의모델이, 발전기 회전속도와 계통출력을 기반으로 풍력발전기의 회전속도 제어값을 산출하고, 그 산출된 회전속도 제어값과 회전 날개각을 기반으로 회전날개 제어각을 산출하며, 산출된 상기 회전날개 제어각과 ?속을 기반으로 발전기에 입력되는 회전력을 산출하며, 그 산출된 회전력과 출력으로부터 만들어지는 부하토크를 기반으로 발전기의 회전속도를 산출하며, 산출된 상기 발전기의 회전속도를 기반으로 전력 계통에 발전시킬 계통 출력 전력 정보를 산출하는 단계;
    출력 제어기가, 상기 생성된 계통 출력 전력 정보를 제공 받아 그 제공 받은 계통 출력 전력 정보를 기반으로 전력 계통에 계통 출력 전력이 발전될 수 있도록 제어하는 단계; 및
    계통연계 인버터가, 상기 제어에 따라 전력 계통에 계통 출력 전력을 발전시키는 단계를 포함하는 풍력발전 시스템을 모의하기 위한 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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