丁 明，朱 燦，陳 忠，陳 中，吳 杰

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230022）

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電占整個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)電量的比重不斷提高，配置大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)以提高電力系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模可再生能源發(fā)電的接納能力受到學(xué)者的廣泛關(guān)注［1-3］。

儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)PCS（Power Conditioning System）作為直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的接口，其主要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向功率調(diào)節(jié)以及其他輔助功能［4-5］。采用電壓源換流器VSC（Voltage Source Converter）模塊并聯(lián)構(gòu)成的儲(chǔ)能PCS，在制造、運(yùn)行和維護(hù)方面有較好的經(jīng)濟(jì)效益，但VSC模塊并聯(lián)帶來控制的復(fù)雜性，尤其是共交直流母線結(jié)構(gòu)，很容易引起模塊間環(huán)流。環(huán)流會(huì)使并網(wǎng)電流畸變，增加損耗，降低系統(tǒng)效率［6-7］，VSC模塊間的硬件參數(shù)、控制參數(shù)、載波等是否一致均是環(huán)流產(chǎn)生的原因。模塊間載波交錯(cuò)技術(shù)可以有效改善并聯(lián)總電流質(zhì)量，提高等效開關(guān)頻率，降低無源濾波元件的體積和整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用，但對(duì)于共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)，載波交錯(cuò)導(dǎo)致模塊間的開關(guān)控制不同步是產(chǎn)生環(huán)流的主要原因［8-10］。并網(wǎng)型VSC模塊并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)主要有集中式和分布式［11-13］。集中式控制通過一個(gè)主模塊和多個(gè)從模塊來實(shí)現(xiàn)，主模塊主要負(fù)責(zé)功率環(huán)、電壓環(huán)及電流環(huán)計(jì)算等功能，從模塊主要負(fù)責(zé)脈寬調(diào)制及保護(hù)等功能，主從模塊間需要進(jìn)行大量快速的數(shù)據(jù)交換，從模塊本身不能獨(dú)立工作，可靠性低。分布式控制中所有模塊均相同，不依賴任何模塊及模塊數(shù)，可實(shí)現(xiàn)冗余控制，模塊間只需簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)交換，降低了對(duì)通信速率的要求，但基于無互連線的分布式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

目前，VSC并聯(lián)運(yùn)行的同步控制模式有同步母線通信［14-15］、電力載波通信［16］和 CAN 總線通信［17-18］，文獻(xiàn)［15］中多個(gè)并聯(lián)電源通過同步信號(hào)線實(shí)現(xiàn)模塊間同步控制，但系統(tǒng)互連線較多，冗余性差。文獻(xiàn)［17-18］中CAN總線僅用于系統(tǒng)控制量交換，未用于時(shí)間基準(zhǔn)同步，效率低。CAN總線通信支持分布式控制和多主通信，只需一條總線即可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)廣播傳送信息，互連線數(shù)目明顯降低，較其他方式更適合VSC并聯(lián)同步控制。

本文在上述集中控制基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于CAN總線的載波同步VSC并聯(lián)控制方法。從模塊對(duì)主模塊的依賴程度降低，各模塊獨(dú)立進(jìn)行閉環(huán)工作，利用CAN總線時(shí)間基準(zhǔn)參考實(shí)現(xiàn)模塊間較高精度的載波同步，主從模塊間只進(jìn)行載波同步信息的交互，通信效率有效提高，從而抑制模塊間高頻環(huán)流，同時(shí)引入模塊自主監(jiān)控機(jī)制，解決冗余控制復(fù)雜的問題，獲得良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。

1 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)

VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，VSC模塊采用單電感濾波，模塊間并聯(lián)采用共交直流母線結(jié)構(gòu)，交流側(cè)并聯(lián)后經(jīng)過濾波電容，再通過△/Y型隔離變壓器并網(wǎng)。VSC模塊采用典型的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用基于dq變換的鎖相環(huán)同步電網(wǎng)電壓。

圖2為VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并聯(lián)系統(tǒng)由上位機(jī)和N個(gè)相同的VSC模塊構(gòu)成，并通過CAN總線互相連接。上位機(jī)接受上層調(diào)度并向各模塊發(fā)送功率指令，各模塊通過競(jìng)爭(zhēng)遴選出一個(gè)主模塊，其余均為從模塊，主從模塊間進(jìn)行載波同步信息的交互，并在主從模塊故障時(shí)，通過模塊自主監(jiān)控機(jī)制解決故障，保證模塊間載波同步，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖1 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of parallel VSC modules

圖2 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure of system with parallel VSC modules

2 載波交錯(cuò)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流影響

對(duì)于共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)，各個(gè)模塊調(diào)制波、載波等不一致性因素，容易引起模塊間環(huán)流。當(dāng)VSC模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若每個(gè)模塊控制器的時(shí)鐘自由運(yùn)行，載波相位將形成自由交錯(cuò)現(xiàn)象。下面以正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)為例，分析載波交錯(cuò)對(duì)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)電流的影響，進(jìn)而揭示載波交錯(cuò)對(duì)VSC模塊間環(huán)流的影響。

2.1 載波交錯(cuò)引起模塊間高頻環(huán)流

以圖1中2個(gè)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)為例，各模塊均采用SPWM。載波交錯(cuò)現(xiàn)象如圖3所示，假設(shè)2個(gè)VSC模塊的調(diào)制波相同，圖3給出了一個(gè)載波周期內(nèi)VSC模塊各自的驅(qū)動(dòng)波形，可見在零矢量的重疊區(qū)域 000-111、111-000、000-111，2 個(gè) VSC 模塊間將形成環(huán)路 m-a1-a-aN-n、m-b1-b-bN-n、m-c1-ccN-n。在直流母線電壓的激勵(lì)下，將同時(shí)對(duì)濾波電感進(jìn)行充電或放電，此時(shí)VSC模塊三相電流中將出現(xiàn)環(huán)流；而在其他區(qū)域001-101、101-001，只有m-a1-a-aN-n、m-b1-b-bN-n、m-c1-c-cN-n 中的部分形成環(huán)流通路，在直流母線電壓的激勵(lì)下，也將形成環(huán)流。

實(shí)際系統(tǒng)中，即使2個(gè)VSC模塊的調(diào)制波一致，若VSC模塊PWM均采用在三角載波下溢點(diǎn)采樣，由于載波交錯(cuò)，將導(dǎo)致其中一個(gè)VSC模塊相比于另一個(gè)VSC模塊的調(diào)制波超前或滯后一個(gè)交錯(cuò)角度，即在同一個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的載波周期內(nèi)，調(diào)制波也存在偏差，這將進(jìn)一步增大環(huán)流。下面將仿真驗(yàn)證所述載波交錯(cuò)對(duì)模塊間環(huán)流的影響。

圖3 載波交錯(cuò)現(xiàn)象Fig．3 Phenomenon of carrier interleave

2.2 載波交錯(cuò)對(duì)模塊間環(huán)流影響仿真驗(yàn)證

以2臺(tái)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)為例，驗(yàn)證載波交錯(cuò)對(duì)環(huán)流的影響。在MATLAB中搭建仿真電路模型，仿真參數(shù)如下：直流側(cè)電壓Udc=650 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz，濾波電感L=2 mH，濾波常數(shù)為10-4s，濾波電阻 R=0.01 Ω，dq 調(diào)節(jié)器參數(shù) Kp=0.035、Ki=100，開關(guān)頻率fs=10 kHz，電網(wǎng)電壓為380 V。假設(shè)模塊的初始狀態(tài)相同，給定參考量均為0。

圖4為載波交錯(cuò)時(shí)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)的電流波形，從上至下依次為VSC模塊并聯(lián)總電流ia、VSC模塊1電流i1a、VSC模塊2電流i2a、VSC模塊1環(huán)流ic1a和VSC模塊2環(huán)流ic2a。其中VSC模塊1與VSC模塊2的載波相差180°；2個(gè)VSC模塊輸出有功電流給定均為30 A，無功電流給定均為0。可見當(dāng)VSC模塊載波交錯(cuò)時(shí)，將出現(xiàn)明顯的高頻環(huán)流。

圖4 載波交錯(cuò)時(shí)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)電流波形Fig．4 Current waveforms of system with parallel VSC modules for interleaved carriers

圖5為載波同步時(shí)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)的電流波形，其中VSC模塊1、VSC模塊2輸出有功電流給定均為30 A，無功電流給定均為0。由圖5可見當(dāng)VSC模塊載波同步時(shí)，高頻環(huán)流明顯減小。

圖5 載波同步時(shí)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)電流波形Fig．5 Current waveforms of system with parallel VSC modules for synchronized carriers

基于上述理論分析及仿真結(jié)果可以看出，共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)中載波交錯(cuò)現(xiàn)象將產(chǎn)生高頻環(huán)流。高頻環(huán)流的存在很容易引起模塊的過流保護(hù)，因此載波同步與否尤為關(guān)鍵。下面將介紹基于CAN總線的載波同步實(shí)現(xiàn)方法。

3 基于CAN總線的載波同步設(shè)計(jì)

本文采用CAN總線作為VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)載波同步的通信手段。通過一條CAN總線完成模塊間載波同步等信息的通信，采用較少的互連線實(shí)現(xiàn)VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)控制。

3.1 并聯(lián)系統(tǒng)控制時(shí)序

VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)模塊配置獨(dú)立的DSP控制器，采用下溢中斷處理采樣、閉環(huán)控制算法和通信程序。VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)主從控制時(shí)序如圖6所示。根據(jù)SPWM控制特點(diǎn)，主從模塊在第k-1個(gè)載波周期下溢點(diǎn)獨(dú)立采樣并計(jì)算出第k+1個(gè)載波周期的輸出參考，占空比計(jì)算結(jié)果在第k個(gè)載波周期下溢時(shí)輸出，如圖6中tm1、ts1時(shí)段。主模塊在tm2時(shí)段向從模塊發(fā)送載波同步信號(hào)，從模塊在ts2時(shí)段接收主模塊的載波同步信號(hào)，并在下一周期與主模塊載波同步，主模塊每4個(gè)載波周期發(fā)送一次載波同步信號(hào)，保證主從模塊載波同步的實(shí)時(shí)性。圖6中tm3和ts3時(shí)段用于模塊自主監(jiān)控及功率指令的發(fā)送。

圖6 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)主從控制時(shí)序Fig．6 Timing of master-slave control for system with parallel VSC modules

3.2 硬件設(shè)計(jì)

VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要包括主電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及DSP主控板（AD采樣電路、CAN控制器、PWM控制電路）等。采用高速 DSP（Digital Signal Processing）TMS320F28335，該芯片自帶2通道含32個(gè)郵箱的增強(qiáng)型CAN模塊。為了保證數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性，采用ADI公司隔離式CAN芯片ADM3053作為收發(fā)器，終端加接120 Ω匹配電阻［19］，信息傳輸采用CAN2.0通信協(xié)議，雙絞線傳輸介質(zhì)。

圖7 VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig．7 Hardware structure of system with parallel VSC modules

3.3 CAN總線初始化設(shè)計(jì)

CAN總線的初始化，主要包括對(duì)CAN中斷、引腳設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置、波特率設(shè)置、郵箱初始化等。設(shè)置CAN報(bào)文為8個(gè)字節(jié)擴(kuò)展幀，采用1 Mbit/s的速率，保證通信的實(shí)效性。CAN模塊郵箱配置包括遠(yuǎn)程幀接收應(yīng)答郵箱、廣播信號(hào)幀接收應(yīng)答郵箱、載波同步數(shù)據(jù)幀接收應(yīng)答郵箱以及可配置接收發(fā)送郵箱。

3.4 載波同步原理

由于CAN總線上所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘寄存器均可以對(duì)總線上的位時(shí)鐘進(jìn)行同步計(jì)數(shù)，因此采用CAN時(shí)鐘寄存器作為載波同步時(shí)間基準(zhǔn)參考［19］?？偩€上一旦有數(shù)據(jù)流發(fā)生，各節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)部的數(shù)字鎖相環(huán)，提取位時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，即使總線空閑，鎖相環(huán)仍能通過鎖住的信號(hào)繼續(xù)計(jì)數(shù)，直到新的數(shù)據(jù)流通過總線，又重新對(duì)新的位時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，各節(jié)點(diǎn)的CAN總線計(jì)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)一歸零。由于是共享的通信線路，各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘寄存器對(duì)位時(shí)鐘的計(jì)數(shù)同步，相同時(shí)間計(jì)數(shù)值相等，從而得到載波同步參考。

要獲得圖6的主從控制時(shí)序，需要一個(gè)建立同步并保持的機(jī)制，載波同步建立過程如下。

第一個(gè)模塊上電后，通過郵箱發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀，并要求其余模塊發(fā)送響應(yīng)信息，由于是第一個(gè)模塊，得不到響應(yīng)，固定時(shí)間后，自動(dòng)設(shè)置為主模塊，并備好遠(yuǎn)程應(yīng)答數(shù)據(jù)，此時(shí)不調(diào)節(jié)載波周期。第二個(gè)至第N個(gè)模塊上電后，同樣發(fā)送遠(yuǎn)程幀，由于有主模塊的存在而收到應(yīng)答幀，設(shè)置為從模塊。初始化主從地位建立流程如圖8（a）所示。

主模塊查詢到自身有遠(yuǎn)程應(yīng)答信號(hào)，確定有從模塊加入，通過郵箱廣播發(fā)送一個(gè)CAN總線時(shí)鐘清零的載波同步數(shù)據(jù)幀，將總線上所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘寄存器清零，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘寄存器對(duì)總線上共同的位時(shí)鐘同步計(jì)數(shù)；從模塊收到載波同步數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)入中斷響應(yīng)，微調(diào)載波周期，置軟件同步標(biāo)志位，同時(shí)啟動(dòng)PWM輸出新的占空比。

載波同步信號(hào)在并聯(lián)模塊間傳輸距離不同，各模塊DSP以及晶振之間也有微小的差別，導(dǎo)致工作過程中載波周期存在差異，因此每次下溢中斷時(shí)各從模塊需要根據(jù)共同的參考微調(diào)自身載波周期。本文中載波周期為100 μs，每4個(gè)載波周期同步一次，對(duì)應(yīng)1 Mbit/s標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線位時(shí)鐘值為400。從模塊每次接收到主模塊發(fā)送的載波同步信號(hào)后，先采樣自身CAN總線位時(shí)鐘值再與標(biāo)準(zhǔn)的位時(shí)鐘值作差比較，得到的差值反映了偏離參考周期的長(zhǎng)短，差值為正表示自身的載波周期比參考標(biāo)準(zhǔn)短，差值為負(fù)表示自身的載波周期比參考標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)。進(jìn)而反向微調(diào)載波周期值，即可保持主從模塊實(shí)現(xiàn)較高精度的載波同步，同步誤差控制在0.5 μs以內(nèi)。主從模塊載波同步流程如圖8（b）所示。

圖8 初始化主從地位建立及載波同步流程圖Fig．8 Flowchart of master-slave initialization and flowchart of carrier synchronization

圖9 模塊自主監(jiān)控機(jī)制流程圖Fig．9 Flowchart of independent module monitoring mechanism

為了保證主模塊的存在及可靠運(yùn)行，避免主模塊故障失效時(shí)，從模塊因無法與總線連接或無法檢測(cè)到故障而影響主模塊的重新確定，在傳統(tǒng)主從控制基礎(chǔ)上引入模塊自主監(jiān)控機(jī)制，整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橹髂K的故障而癱瘓。模塊自主監(jiān)控機(jī)制流程圖如圖9所示，各模塊上電主從地位建立后，從模塊監(jiān)控自身狀態(tài)信息，此狀態(tài)信息為CAN錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器的數(shù)值［19］，將此狀態(tài)信息連同自身序列號(hào)發(fā)送到總線，同時(shí)接收其他從模塊的狀態(tài)信息。每個(gè)模塊有一個(gè)獨(dú)立的序列號(hào)，并按序列號(hào)優(yōu)先級(jí)順序依次排入動(dòng)態(tài)隊(duì)列，模塊組網(wǎng)后定時(shí)更新模塊動(dòng)態(tài)隊(duì)列，主模塊在每個(gè)交流電源周期向從模塊發(fā)送模塊狀態(tài)信息請(qǐng)求。若某個(gè)從模塊沒有響應(yīng)或狀態(tài)信息錯(cuò)誤，設(shè)置發(fā)送次數(shù)Ns，重新發(fā)送狀態(tài)信息請(qǐng)求，若仍然沒有響應(yīng)或狀態(tài)信息錯(cuò)誤，則確認(rèn)此模塊丟失或故障，將此模塊序列號(hào)從動(dòng)態(tài)隊(duì)列中清除，若收到響應(yīng)信號(hào)，則重新檢測(cè)模塊信息是否正確，若有新的從模塊加入或故障的從模塊恢復(fù)正常，則將其加入此動(dòng)態(tài)隊(duì)列，保證動(dòng)態(tài)隊(duì)列中從模塊均為正常工作模塊。當(dāng)主模塊丟失或故障時(shí)，動(dòng)態(tài)隊(duì)列中的從模塊向總線發(fā)出爭(zhēng)主請(qǐng)求，由總線仲裁確定新的主模塊，系統(tǒng)可靠性大幅提高。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)本文所提方法研制了2臺(tái)基于VSC模塊并聯(lián)的儲(chǔ)能PCS樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。每臺(tái)VSC模塊含獨(dú)立的直流濾波電容、主電路、DSP控制器和濾波電感，在模塊耦合點(diǎn)并聯(lián)后經(jīng)濾波電容和變壓器并入380 V配電網(wǎng)，直流側(cè)為650 V/75 kW·h電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖10為VSC模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)主模塊向CAN總線發(fā)送的載波同步信號(hào)（其中下圖為上圖點(diǎn)劃線框部分的放大圖，后同），每4個(gè)載波周期發(fā)送一次，保證主從模塊載波同步。圖11為主從模塊同一時(shí)刻載波周期信號(hào)波形，從放大窗口可以看出一致性較好，載波同步誤差控制在0.5 μs以內(nèi)，能夠滿足VSC并聯(lián)控制對(duì)載波同步精度要求。

圖10 載波同步信號(hào)波形Fig．10 Waveforms of carrier synchronization signal

圖11 主從模塊同一時(shí)刻載波周期信號(hào)波形Fig．11 Waveforms of periodic carrier signal of master and slave modules at same time

圖12為VSC模塊載波同步并聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形。VSC模塊1、VSC模塊2的有功給定為3.5 kW，無功給定為0。其中圖12（a）給出了模塊電感電流和模塊間環(huán)流波形，圖12（b）給出了模塊電感電流和模塊并聯(lián)電流波形。由圖12可以看出，2臺(tái)共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)模塊間高頻環(huán)流得到了有效抑制，穩(wěn)態(tài)性能良好。

圖12 VSC模塊載波同步并聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形Fig．12 Experimental waveforms of parallel VSC modules with carrier synchronization

圖13為VSC模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)功率突變實(shí)驗(yàn)波形。圖13（a）中2臺(tái)VSC模塊初始功率均為0，同時(shí)突增有功至3.5 kW。圖13（b）中2臺(tái)VSC模塊初始有功給定為3.5 kW，同時(shí)突降至0.2 kW。圖13（c）中單臺(tái)VSC模塊有功給定從0突增至3.5 kW，圖13（d）中單臺(tái)VSC模塊有功給定從3.5 kW突減至0。由圖13可以看出，2臺(tái)共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)功率突變瞬間模塊并聯(lián)電流沒有發(fā)生明顯的突變，動(dòng)態(tài)性能良好。

圖13 VSC模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)功率突變實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms of parallel VSC modules with active power mutation

5 結(jié)論

本文針對(duì)儲(chǔ)能PCS中共交直流母線并聯(lián)運(yùn)行VSC模塊的高頻環(huán)流抑制問題，通過分析載波交錯(cuò)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的影響，引入模塊自主監(jiān)控機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的載波同步實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

a.采用本文所提基于CAN總線的載波同步方法，共交直流母線VSC模塊并聯(lián)系統(tǒng)中載波同步誤差不超過0.5%，模塊間高頻環(huán)流得到有效抑制，系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能良好；

b.通過建立模塊自主監(jiān)控機(jī)制，解決了主從控制結(jié)構(gòu)中冗余控制性能不佳的問題，實(shí)現(xiàn)模塊的快速自由投切，系統(tǒng)可靠性大幅提高，同時(shí)各VSC模塊均相同，易于大容量模塊化擴(kuò)展，具有良好的工程可實(shí)現(xiàn)性。

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