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技術 電力変換装置

出願人 京セラ株式会社
発明者 末永高史
出願日 2005年4月26日 (15年8ヶ月経過) 出願番号 2005-128335
公開日 2006年11月9日 (14年1ヶ月経過) 公開番号 2006-311652
状態 未査定
技術分野 交流の給配電 インバータ装置
主要キーワード 設備増強 最大値更新 流出抑制 出力最大値 資源エネルギー 通常制御処理 出力交流電流 インバータ制御用
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年11月9日)のものです。
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図面 (9)

課題

商用電力系統柱上トランス容量に余裕が持て、無用設備増強を行なわなくてもよいシステム言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供すること。

解決手段

直流電源直流電力交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする電力変換装置。

概要

背景

従来、図7に示すように、系統連系システムJは太陽電池などの直流電源1が、直流交流に変換する電力変換装置5を介して、商用電力系統である低圧配電線3に柱上トランス31を介して接続されて成る。各系統連系システムには、負荷4が接続されている。

このような系統連系システムJを低圧配電線3に連系させる際に、この系統連系システムJの不具合が原因で低圧配電線3に障害(例えば停電など)が発生するようなことがあると、一般の需要家は大きな迷惑を受けることになる。系統連系システムJの故障に対しては、この影響を連系系統波及させないために、系統連系システムを即時に電力系統解列しなければならない。そこでこのような不具合が発生しないように、系統連系システムJには各種の制約が課せられている。その制約のひとつに、低圧配電線3への直流分電流流出抑制がある。すなわち、資源エネルギー通達系統連系技術要件ガイドライン」の内容を具体的に示した民間の自主規格である「分散型電源系統連系技術指針」では、定格交流電流の1パーセント以下の直流分を0.5秒以内で直流分電流流出保護をするように定めている。

系統連系システムJでは、直流を交流に変換する電力変換装置5を備えているが、この電力変換装置5が出力する交流電流には僅かながら直流分が存在する。

ここでいう直流分とは、正弦波中心軸が上下方向どちらかに偏ったような上下非対称な交流の状態のものをいう。直流分がない交流電流の状態を図8(a)に、直流分が存在する交流電流の状態を図8(b)に示す。

電力変換装置5からの出力に直流成分を持ったまま逆潮流を行なうと、この直流分が商用系統に流出し、柱状トランス31の偏磁等の悪影響を起こす可能性がある。

直流分を存在させる原因のひとつとして、例えば、当該電力変換装置5を構成している正極側半導体スイッチ素子(図示せず)の動作時間動作特性が、負極側半導体スイッチ素子(図示せず)のそれと僅かに異なることが挙げられる。前述の原因、または別の事項が原因で電力変換装置5の出力交流電流に規定以上の直流分が含まれてしまうことがあるから、前述の技術指針に基づいて、直流分電流を検出して、直流分電流の流出保護をする。(例えば、特許文献1を参照)。
特開平08−149842号公報

概要

商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用設備増強を行なわなくてもよいシステム言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供すること。直流電源の直流電力交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする電力変換装置。

目的

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、すなわち、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

直流電源直流電力交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする電力変換装置。

請求項2

前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の定格電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする電力変換装置。

請求項3

前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の実際に出力した電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする電力変換装置。

技術分野

0001

本発明は、たとえば太陽電池風力発電燃料電池などの直流電源商用電力系統とを連系させるための電力変換装置に関するものである。

背景技術

0002

従来、図7に示すように、系統連系システムJは太陽電池などの直流電源1が、直流交流に変換する電力変換装置5を介して、商用電力系統である低圧配電線3に柱上トランス31を介して接続されて成る。各系統連系システムには、負荷4が接続されている。

0003

このような系統連系システムJを低圧配電線3に連系させる際に、この系統連系システムJの不具合が原因で低圧配電線3に障害(例えば停電など)が発生するようなことがあると、一般の需要家は大きな迷惑を受けることになる。系統連系システムJの故障に対しては、この影響を連系系統波及させないために、系統連系システムを即時に電力系統解列しなければならない。そこでこのような不具合が発生しないように、系統連系システムJには各種の制約が課せられている。その制約のひとつに、低圧配電線3への直流分電流流出抑制がある。すなわち、資源エネルギー通達系統連系技術要件ガイドライン」の内容を具体的に示した民間の自主規格である「分散型電源系統連系技術指針」では、定格交流電流の1パーセント以下の直流分を0.5秒以内で直流分電流流出保護をするように定めている。

0004

系統連系システムJでは、直流を交流に変換する電力変換装置5を備えているが、この電力変換装置5が出力する交流電流には僅かながら直流分が存在する。

0005

ここでいう直流分とは、正弦波中心軸が上下方向どちらかに偏ったような上下非対称な交流の状態のものをいう。直流分がない交流電流の状態を図8(a)に、直流分が存在する交流電流の状態を図8(b)に示す。

0006

電力変換装置5からの出力に直流成分を持ったまま逆潮流を行なうと、この直流分が商用系統に流出し、柱状トランス31の偏磁等の悪影響を起こす可能性がある。

0007

直流分を存在させる原因のひとつとして、例えば、当該電力変換装置5を構成している正極側半導体スイッチ素子(図示せず)の動作時間動作特性が、負極側半導体スイッチ素子(図示せず)のそれと僅かに異なることが挙げられる。前述の原因、または別の事項が原因で電力変換装置5の出力交流電流に規定以上の直流分が含まれてしまうことがあるから、前述の技術指針に基づいて、直流分電流を検出して、直流分電流の流出保護をする。(例えば、特許文献1を参照)。
特開平08−149842号公報

発明が解決しようとする課題

0008

しかしながら、上述した従来の系統連系システムでは、太陽電池を用いた太陽光発電システムを例にすると、通常、住宅の屋根などに設置される太陽電池モジュールを、様々な屋根形状に応じて複数枚直並列に組み合わせたものを直流電源として電力変換装置で制御を行なっている。太陽電池モジュールの直並列には様々な組み合わせがあるため、コスト面から直流電源の容量に対して余裕のある電力変換装置を用意しておき、このような電力変換装置1台による制御を行なっている。

0009

このような系統連系システムを商用電力系統に連系させる場合、連系できるシステム数は、保護協調の観点から、柱上トランスの容量によって制限を受けることになる。すなわち、ひとつの柱上トランスに連系される電力変換装置の定格容量の総和に依存するということであり、柱上トランスに連系される電力変換装置の定格容量により、直流分流出電流の総量が決まることになる。

0010

前述の状況から、一般的に、連系される電力変換装置の総容量 > 連系される直流電源の総容量の関係となるので、新たな系統連系システムを設置する場合に、柱上トランスの容量が、直流電源の総容量に対して余裕がある状態であっても、電力変換装置の総容量を超えるときには、柱上トランス容量の増強もしくは、柱上トランスの増設を行なわなければならなくなる。つまり、連系されるシステムの実質的な容量に対して余裕がある場合であっても設備の増強を迫られることに繋がる。また、一般に、増強により発生する費用は、電力会社もしくはシステムの使用者ユーザー)が負担しなければならないため、発電電力量を多くしようとすると、経費工数が発生するという問題が生じる。

0011

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用設備増強を行なわなくてもよいシステム、すなわち、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0012

上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、直流電源の直流電力交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統に供給して系統連系する電力変換装置であって、少なくとも前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に制限を設けたことを特徴とする。

0013

また、本発明の他の電力変換装置は、前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の定格電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする。

0014

さらに、本発明の他の電力変換装置は、前記電力変換装置の出力できる電流の直流分もしくは交流分に設けた制限の値は前記直流電源の実際に出力した電力の値に基づいて計算されたものであることを特徴とする。

発明の効果

0015

請求項1記載の発明によれば、直流電源を入力とし交流に変換し出力を電力系統に接続される電力変換装置であって、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段と、外部からの入力を可能とする手動設定入力手段と、上記手動設定入力手段により入力された設定値を保存する設定値保存手段と、上記設定値保存手段に保存されている設定値から制御に関する指令値演算する指令値演算手段と、電力変換手段に対して制御指令を行なう制御指令手段とを備えるとともに、手動で入力した設定値により、動作フローに従って実行させるようにしたので、定格に依存する制御に関する指令値を変更できるようになり、任意の容量で系統連系システムを動作させることができ、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。

0016

また、請求項2記載の発明によれば、直流電源を入力とし交流に変換し出力を電力系統に接続される電力変換装置であって、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段と、上記電力変換装置の出力情報を検出する出力情報検出手段と、上記出力情報検出手段より検出した出力情報の最大値更新の判定を行なう出力最大値判定手段と、上記出力最大値判定手段により判定した出力最大値の情報を保存する設定値保存手段と、上記設定値保存手段に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段と、電力変換手段に対して制御指令を行なう制御指令手段とを備えるとともに、出力最大値を検出、更新する値により、動作フローに従って実行させるようにしたので、定格に依存する制御に関する指令値を自動的に変更できるようになり、系統連系システムの容量に関する初期設定が不要であり、複雑なシステムの状況を作業者側が把握しなくともよい電力変換装置及びそれを用いた系統連系システム、また、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。

0017

また、請求項3記載の発明によれば、直流電源を入力とし交流に変換し出力を電力系統に接続される電力変換装置であって、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段と、上記電力変換装置の出力情報を検出する出力情報検出手段と、上記出力情報検出手段から入力された情報から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段と、電力変換手段に対して制御指令を行なう制御指令手段とを備えるとともに、検出した出力情報により、動作フローに従って実行させるようにしたので、定格に依存する制御に関する指令値を随時自動的に変更できるようになり、系統連系システムの容量に関する初期設定が不要、かつ出力最大値の更新の監視が不要であり、複雑なシステムの状況を作業者側が把握しなくともよい電力変換装置及びそれを用いた系統連系システム、また、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。

発明を実施するための最良の形態

0018

以下、本発明に係る第一の電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。

0019

図1に示すように、系統連系システムSは、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源1が、直流を交流に変換する電力変換装置2および柱上トランス31を介して、低圧配電線3に接続されて成る。

0020

電力変換装置2は、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段21と、外部からの入力(何の入力か?)を可能とする手動設定入力手段25と、上記手動設定入力手段25により入力された設定値を保存する設定値保存手段24と、上記設定値保存手段24に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段23と、電力変換手段21に対して制御指令を行なう制御指令手段22とで構成される。

0021

ここで、電力変換装置2は、手動で入力した設定値により、定格に依存する制御に関する指令値を変更できるようにして、系統連系させるようにしている。

0022

そして、このように構成された電力変換装置2を、直流電源1と低圧配電線3および柱上トランス31との間に設けて、低圧配電線3へ直流電源1からの電力を逆潮流させる系統連系システムSを構築している。

0023

以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。

0024

電力変換装置2は太陽電池等の直流電源1から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換(DC/AC変換)を行ない、低圧配電線3側に出力する。

0025

電力変換装置2は、起動時に設定値保存手段24の情報を元に、指令値演算手段23にて、電力変換装置2の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段22に情報を出す。

0026

電力変換手段21は、直交変換(DC/AC変換)を行ない、制御指令手段22からの出力情報により、連系制御や出力制御、また異常検出を行ないながら系統に連系する。

0027

尚、設定値保存手段24に保存される情報は、系統連系システムSの設置時などに、保護継電器など他の設定項目と同様に、直流電源1の容量に関する情報を設定しておく。

0028

図4は、本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を示すフローチャートである。

0029

以下、図4に基づいて本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を説明する。電力変換装置2の起動から停止するまでに、図4に示すフローを実行させる。

0030

まず起動時にステップAでは、出力容量設定変更の有無の判定を行ない、設定変更が無ければ、直流分流出検出値出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置2の出力容量に依存する設定値は、標準初期設定値である定格値を設定し、通常制御処理移行する。ステップAにおいて、出力容量設定値に変更があった場合には、設定値保存手段24に保存してある情報を読み出し容量換算係数を演算する。ここで容量演算係数は、定格容量を100%とした割合などの情報となる。この容量演算係数を、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の出力容量に依存する設定値に加味した上で、各設定値とし、通常制御処理へ移行する。

0031

通常制御処理は繰り返し処理となっており、途中のステップBでは電力変換装置の停止・終了判定を行なう。ステップBで、終了判定が満足していなければ、通常制御処理を繰り返し行なう。ステップBにおいて、終了判定が満足した場合は、本フローを終了する。

0032

次に、本発明に係る第二の電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。

0033

図2に示すように、系統連系システムS1は、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源1が、直流を交流に変換する電力変換装置2および柱上トランス31を介して、低圧配電線3に接続されて成る。

0034

電力変換装置2は、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段21と、上記電力変換手段21の出力情報を検出する出力情報検出手段26と、上記出力情報検出手段26より検出した出力情報の最大値更新の判定を行なう出力最大値判定手段27と、上記出力最大値判定手段27により判定した出力最大値の情報を保存する設定値保存手段24と、上記設定値保存手段24に保存されている設定値から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段23と、電力変換手段21に対して制御指令を行なう制御指令手段22とで構成される。ここで、電力変換装置2は、検出し、更新した出力最大値により、定格に依存する制御に関する指令値を自動的に変更できるようにして、系統連系させるようにしている。そして、このように構成された電力変換装置を、直流電源1と低圧配電線3および柱上トランス31との間に設けて、低圧配電線3へ直流電源1からの電力を逆潮流させる系統連系システムS1を構築している。

0035

以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。

0036

電力変換装置2は太陽電池等の直流電源1から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換(DC/AC変換)を行ない、低圧配電線3側に出力する。

0037

電力変換装置2は、起動時に設定値保存手段24の情報を元に、指令値演算手段23にて、電力変換装置2の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段22に情報を出す。

0038

電力変換部21は、直交変換(DC/AC変換)を行ない、制御指令手段22からの出力情報により、連系制御や出力制御、また異常検出を行ないながら系統に連系する。

0039

尚、通常動作中において、出力情報検出手段26で検出した情報を元に最大出力判定手段27にて、最大電力更新の監視を行ない、最大出力値を更新した場合に、最大値の更新を保存するとともに、指令値演算手段23にて、電力変換装置2の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段22に情報を出す
図5は、本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を示すフローチャートである。

0040

以下、図5に基づいて本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を説明する。電力変換装置2の起動から停止するまでに、図5に示すフローを実行させる。

0041

まず起動時に設定値保存手段24に保存してある情報を読み出し、容量換算係数を演算する。ここで容量演算係数は、定格容量を100%とした割合などの情報となる。この容量演算係数を、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の出力容量に依存する設定値に加味した上で、各設定値とし、通常制御処理へ移行する。通常、制御処理は繰り返し処理となっており、出力情報検出手段26からの情報を元に出力電力の監視を行なう。ステップCでは、出力電力の最大値更新の判定を行ない、最大値が更新された場合には、最大値更新情報を設定値保存手段24に更新保存し、指令値演算手段23にて、電力変換装置の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段22に情報を出して、通常処理ループに戻る。ステップCにおいて、出力電力が最大値を更新していない場合は、この処理をスキップして、通常処理ループに戻る。

0042

その後、ステップDでは電力変換装置の停止・終了判定を行なう。ステップDで、終了判定を満足していなければ、通常制御処理を繰り返し行なる。ステップDにおいて、終了判定を満足した場合は、本フローを終了する。

0043

次に、本発明に係る第三の電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。

0044

図3に示すように、系統連系システムS2は、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源1が、直流を交流に変換する電力変換装置である電力変換装置2および柱上トランス31を介して、低圧配電線3に接続されて成る。

0045

電力変換装置2は、直流電源を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段21と、上記電力変換手段21の出力情報を検出する出力情報検出手段26と、上記出力情報検出手段26から入力された情報から制御に関する指令値を演算する指令値演算手段23と、電力変換手段21に対して制御指令を行なう制御指令手段22とで構成される。ここで、電力変換装置2は、検出した出力情報により、定格に依存する制御に関する指令値を随時自動的に変更できるようにしている。そして、このように構成された電力変換装置2を、直流電源1と低圧配電線3および柱上トランス31との間に設けて、低圧配電線3へ直流電源1からの電力を逆潮流させる系統連系システムS1を構築している。

0046

以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。

0047

電力変換装置2は太陽電池等の直流電源1から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換(DC/AC変換)を行ない、低圧配電線3側に出力する。

0048

電力変換装置2は、通常動作中において、出力情報検出手段26で検出した情報を元に、随時、指令値演算手段23にて、電力変換装置2の定格容量に依存される制御に関する指令値を演算し、制御指令手段22に情報を出す。

0049

電力変換部21は、直交変換(DC/AC変換)を行ない、制御指令手段22からの出力情報により、連系制御や出力制御、また異常検出を行ないながら系統に連系する。

0050

図6は、本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を示すフローチャートである。

0051

以下、図6に基づいて本実施形態にかかわる定格容量に依存する設定値の決定方法を説明する。電力変換装置2の起動から停止するまでに、図6に示すフローを実行させる。

0052

まず起動時に直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の出力容量に依存する設定値は、標準の初期設定値である定格値を設定し、通常制御処理に移行する。

0053

通常制御処理は繰り返し処理となっており、出力情報検出手段26からの情報を元に、容量換算係数を演算する。ここで容量演算係数は、定格容量を100%とした割合などの情報となる。この容量演算係数を、直流分流出検出値、出力過電流検出値、出力電力制限値などの電力変換装置の2出力容量に依存する設定値に加味した上で、各設定値とし、通常制御処理へ移行する。

0054

その後、ステップEでは電力変換装置の停止・終了判定を行なう。ステップEで、終了判定を満足していなければ、通常制御処理を繰り返し行なる。ステップEにおいて、終了判定を満足した場合は、本フローを終了する。

0055

このようにすることにより、商用電力系統の柱上トランス容量に余裕が持て、無用な設備増強を行なわなくてもよいシステム、言い換えると、ひとつの柱上トランスにより多くの電力変換装置を連系することが可能となる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。

0056

なお、本実施形態の説明として、手動設定入力手段・出力情報検出手段の説明を行なっているが、本発明専用のものを用意する必要は無く、例えば、手動設定入力手段では、保護継電器設定用キーや表示手段などの設定機構代用したり、出力情報検出手段では、インバータ制御用情報検出手段で代用させてもよい。その場合は、各情報を設定値保存手段・指令値演算手段に受け渡すことで同様の結果が得られるので、本発明の適用が可能である。

図面の簡単な説明

0057

本発明に係る系統連系システムの第一の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
本発明に係る系統連系システムの第二の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
本発明に係る系統連系システムの第三の実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
第一の本実施形態にかかわる設定値の決定方法を示すフローチャートである。
第二の本実施形態にかかわる設定値の判定方法を示すフローチャートである。
第三の本実施形態にかかわる設定値の判定方法を示すフローチャートである。
従来の系統連系システムの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
(a)、(b)は、直流分流出の様子を説明する説明図であり、(a)は通常の商用電源電流波形、(b)は直流分流出時の電流波形である。

符号の説明

0058

1:直流電源
2:電力変換装置
3:低圧配電線
4:負荷
5:電力変換装置
21:電力変換手段
22:制御指令手段
23:指令値演算手段
24:設定値保存手段
25:手動設定入力手段
26:出力情報検出手段
27:出力最大値判定手段
31:柱上トランス
J:系統連系システム
S:系統連系システム
S1:系統連系システム
S2:系統連系システム

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