文献翻译译文-混合动力电源的电力电子概念述评

混合动力电源的电力电子概念述评JanLeuchter,*PavolBauer国防大学，捷克共和国，*代尔夫特理工大学，荷兰Jan.Leuchterunob.cz,*P.BauerTuDelft.nl摘要在本文中，将讨论基于发动机-发电机组（EGS）的电源单元。最近的趋势导致使用更多的自主电源，以满足最大能量收益率。这些电源单元可以被认为是相对复杂的系统，包括机械零件、机电能量转换部分、电力电子和控制（反馈）部分。这些系统通常要求具有电池和双向直流-直流转换器的电源缓冲器。会考虑两个方面，即电力电子转换器的概念中枢升压转换器设计。本文还简要说明了这些现代电源的实验验证。I.引言发动机-发电机组（EGS），最初开发生产主要用于军事目的，逐渐发现可以用作各种机械和电器的电源来提高他们的高功率和高能量密度。EGS在民防，危机管理，当然也在武装和安全部队等要求流动性和最大效率的领域中不可或缺1-6。我们从明确的趋势看到使用更多的自主电源，可以获取能最大量效率。自主电源的系统概念如图1所示：有四个主要系统部件与永磁发电机耦合的柴油发动机；燃料电池；太阳能电池阵；电池和超级电容耦合在一起的功率缓冲器。电池可以通过补偿电力生产和负荷之间的差异自主操作。在许多应用中，负载通常不是常量而是变量。过去几年的调查工作已经表明，大多数的装置都是在低负载下操作，不超过额定恒载的20%以上。另一方面，经常在很短的时间（几秒钟，几分钟）内，负载所需的功率都大于额定功率。在这些条件下，电源工作效率低1，6。这种系统的动态行为通常是由柴油发动机或燃料电池所提供，而且是有限图1混合电源的，因为能够注入的燃料是有限的，系统不能加速所有范围的负载。因此，建议电源的概念，必须根据图1引出带电源缓冲器的电源。这样的系统，如果负载要求低功率或系统可以提供高于额定值的功率，在没有运行发动机时，可以通过电池供电的方式获得供电负荷。其他情况下的发电机的供电来源都基于燃料电池技术。下面我们简要讨论这点。目前有几种类型的燃料电池正在开发中，每一个有其自身的优点，局限性和潜在应用。全球研究燃料电池过去长期主要集中在酸性聚合物电解质膜燃料电池。由于二氧化碳对其操作的负面影响，碱性燃料电池成为主要研究对象。仅在最近几年已经证明所有的疑虑是不必要的，尤其是在我们使用中，大多数情况下，燃料电被关闭，可以作为不间断电源（UPS）。相反，和其他类型燃料电池相比，它们的优势已凸显出来，特别是它们由于在碱性环境中的氧还原的快速动力学反应而获得的高效率。当贵金属催化剂对于其他类型燃料电池是必要的，也有可能使用非贵金属催化剂上的阳极和阴极，因为易发生电化学反应。此外，碱性燃料电池的结构相当简单。它们的特性使我们能够使用普通而不昂贵的材料和电解质8。因此，碱性燃料电池适用于计划用来构建一个最大效率高达60%的电源，与柴油机或汽油发动机相比，效率大大提高。在图1中，你可以看到，燃料电池的输出通过电力电子（PE3）连接到直流电网。这样的电力电子技术的概念仅在第一象限（QI）操作时就被提出，这个操作只代表一个功率流方向（Q1）。另一方面，燃料电池概念需要从电池给外接装置供电开始（风机组，冷水机组等等）。同样，我们可以用光伏电池（PV）来描述电力电子。还要有应用在第一象限的电力电子概念（PE2）。另外，这种电力电子必须熟悉MPPT跟踪。坦白说，这些有MPPT跟踪的电源可以更有效地应用于直接接触交流电网，可以很容易地控制最佳工作点。光伏电源还有另一种用法，就是在电解时可以和燃料电池一起使用，将水分解成氢和氧。同样，与永磁发电机柴油（PMG）耦合的柴油机系统需要电力电子（PE1），这个操作仅限于用于Q-I.可变电压和频率与速度成正比的PMG输出功率将变成所需控制电压和恒定频率的输出功率。运用变速恒频技术的发动机发电机转换器装置结构的描述在6中。假设高速燃气轮机也可用作混合电源。他们有一个体积大而重量减少的好处。与普通柴油机相比，典型的40kW高速燃气轮机驱动电源具体输出功率约为200W/kg,然而传统的40kW柴油机驱动电源，只有20W/kg.然而，这些高速涡轮机通常用于高功率应用（100kW或以上）。电源缓冲器也适用于混合电源。这种电源缓冲器，通过电子转换器（PE4）连接，可以改善通过双向DC-DC变换器将存储的能量注入直流环节的柴油机系统的动态特性。同时，电力电子设备必须能够改变功率流方向，例如电池充电。因此，两象限控制是必需的，通常第一个和第二个（QI和Q-II）是必要的。电源缓冲器适用于覆盖高功率峰值，通常需要几秒。电源中使用这些电源缓冲器，可以让笨重的柴油机发动机发电机组缩小体积。假设建议用电源缓冲器和动力电池一起使用来覆盖比如一半额定功率，而发动机发电机组体积可以减半。这就是一个重要的事实为什么更多的EGS经常可以在平均不超过额定恒载2030%1的低负载下运行。电源缓冲器可以减小体积，但它还有一个用途，即作电池使用，如果太阳强度较高而负载需要获取MPPT跟踪或者比如电池在启动过程需要柴油发动机或燃料电池时，可以节省光伏发电机的功率。II.电力电子的概念下面我们将讨论每个电源的电力电子概念。有许多可能的拓扑结构可以构建。可以研究三个不同的标准。第一个是系统的成本，在这方面，电力电子发挥着重要作用。电力电子技术昂贵，但和低功率独立电源相比，它的高功率可降低成本。第二是电源效率，最后一个是电力电子的功率密度，这也是很重要的。降低成本和体积的方法之一是仅使用一个中心电力电子转换器。如果我们承认这个事实，并不总是需要例如同时使用发动机发电机组和燃料电池，这是可能的。如果柴油机正在运行，功率平均值可以被EGS装置和电源缓冲器覆盖。另一方面，当逻辑复杂时或在军事任务1个或2个小时期间，一起使用燃料电池发电机与电池是必要的，在没有任何一种的排放过程中，它对于安静的操作是至关重要的。在这可以使用光伏发电机电解从水中制造燃料等等。另一方面，燃料电池发电机和电池一起使用的优点是，和EGS相比，使用寿命和性能大大受到限制，很大程度上依赖于所使用的电池。使用寿命受到工作温度，工作电流，功率，其他因素和功率流属性的影响。不同之处在于，普通的EGS和燃料电池发电机一起使用，其使用寿命会很长。例如，一般碱性燃料电池寿命不高于2000小时，这的确不是很高。因此，EGS是适用于在标准状态下发电以节省昂贵的资源，即燃料电池组。从这个用法分析，很明显，电力电子技术的概念有电力电子的三个阶段，EGS的PE-A和第一象限运行的燃料电池发电机（FC），两象限控制的电源缓冲器的PE-B和用于光伏发电机的PE-C。概念可以在图2中看到，S1和S2是起始骨料的辅助电源的方式。图2混合电源的电力电子概念III电力电子技术综述混合电源管理系统中的电力电子接口转换器的设计是一个具有挑战性的任务。下面我们将讨论更多的电源电路。从上面的电力电子概念分析，很明显，PE-A转换器由三个转换器组成，AC-DC，DC-AC和DC-DC。EGS输出是先转换成直流电压的三相变压。趋势是廉价整流器概念和二极管搭配使用，如图3中1和2之间所示。在这种二极管整流器中，功率流只能从AC侧到DC侧。整流器的直流输出是无纹波(Udc1)因为大电容接在DC侧。一个严重的缺点是输出谐波含量。优势是简单.PWM整流技术消除特定谐波的输出。因此，完全控制的PWM整流器的概念可以有助于有助于提高电流的输出波形，但这意味着需要更昂贵的转换器。DC-DC转换器是应用最广泛的电子电路元件之一。展望这一应用，我们发现，这些转换器经常和开关型直流电源转换器中的电气隔离变压器或非隔离变压器搭配使用。下面将简单讨论列出的几个基本转换器。DC-DC转换器的2个非常重要的配置，通常用于千瓦范围：降压，升压的概念。然而，现有的500多个原型，比这些基本的转换器多一些优势，如较低的输出电压纹波。如（Ck,Sepic或者Luo-pump）用电容作为存储和从输入到输出传输能量的主要元素的配置，通常用于低电压应用。这些配置的优势有可能通过串联电容来避免直流偏移造成的变压器饱和。这些电路的优点之一是，输入电流是无纹波的，它是可以通过外部电感滤波器完全消除纹波。这对燃料电池发电机的概念是有用的。这些基本的转换器是能够在I-Q只以一个方向传递能量，两象限DC-DC转换器的概念在I-Q可运行，II-Q也可以，如图3所示（7和8之间），与电池连接，在充放电过程中必须改变电流。一个全桥变换器的拓扑结构，也能双向功率流。该转换器在4个象限里都可运行，并提供了一个很好的系统拓扑结构，因为通过这些PWM全桥DC-DC转换器的输出电流不会不连续。另一个优图3中央升压混合电源的电力电子势是有更高的额定功率。再像前面一样用PWM整流器，全桥概念的主要缺点是与升压和降压转换器的基本成本比较。此外，开关更多和变压器的可靠性也较低。转换器级联概念（图4）可以有助于用简单的结构实现输出电压的增加。两级升压电路从升压转换器设置和添加部件L2，D2、D3和C2。第一阶段的输出电压（V1）是由公式1得出和电容C2的电压通过公式2导出输出电压。更高级别仅用多个重复的部件就可以设计。这些也可以用于燃料电池发电机j将FC的输出低电压转换为300直流线路(Udc1)。实验验证结果和升压比较如图5所示。(1)DVut1in0(2)inoutV2)(输入和输出电压和电流如图5所示。输出电压为UIN=20V和义务40%是60V，因此，与（图6）的升压比较，这些概念三实现了较高的电压互感器增益。相同条件下的输出电压为41V。，因此，级联的概念具有较高的电压增益传输，这是燃料电池发电机所要求的，因为较高的额定电压会产生更高的FC成本，FC的可靠性降低，主要是FC的寿命降低。另一方面，输入纹波电压和电流是高的，但例如只为概念与燃料电池发电机是不正确的。下一个缺点是，较多的元件数，如二极管，电感器，主要是电容器，产生了较低的效率和更低的电力电子的可靠性。许多其他电路可以来自这些基本的转换器的基线拓扑结构。变压器隔离的电压转换器可以使电压增加和提高效率。为了显示完整族系的DC-TO-DC转换器，以实现更高的电压互感器增益，我们需要添加下一个J基于开发的转换器抽头电感转换器。例如，抽头电感转换器是下一个最常见的降压，升压或降压-升压拓扑技术的DC-TO-DC转换器。这些基于升压的转换器的例子如图7所示。这里的抽头电感比是(3)21n图4两级级升压直流-直流转换器7实验验证的纹波比较低。与升压相比，输出电压略低（32伏）。图6升压电路直流-直流转换器(L1=100uH；C1=100uF；C2=1000uF，D=40%;；Uin=20V；IIn=1.4A,，Uout=40.96V和R=90Ohm）7图7抽头电感升压转换器图5两级升压直流-直流转换器（(L1和L2是100uH；C1=100uF；C2=1000uF，D=40%；Uin=20V；IIn=3.84A，Uout=60.6V和R=90Ohm）下面将讨论基本概念的最终分析。概念总结如I表所示。表I升压两级升压CukSepic抽头电感升压设计简单简单高功率难高功率难中等传递电压增益低高于升压中等中等高于升压低于两级升压干扰低高低低低降压或升压直流-直流转换器是低增益传输电压的简单概念。这种拓扑结构的转换器可以用于高转换频率，从功率密度看是好的。升压运行具有干扰低和连续电流的优点。缺点是输入和输出之间非电隔离。然而，和上面提到的基本的直流-直流转换器，各种电隔离的直流-直流转换器通常具有高的传输电压增益和两者之间的高隔离度的优点。和升压的概念相比，两级升压转换器的概念可以实现更高的传输电压增益，但具有较高的纹波输入。其他参数和升压类似。CK，SEPIC概念运行高效率，连续的输入和输出电流，干扰低、高转换频率和低电压电流纹波。同样我们可以得到与CK变压器概念相同的特征，输入和输出电隔离。SEPIC概念抗短路电流、输入电压范围宽和两个电感可以在同一核心上。这些的主要的缺点是电容器将能量从输入传送到输出，因此不适用于千瓦kW。因此，根据图3，混合电源的主要概念是直流-直流转换器的基本升压形式，他们只需要一个输入电感L，概念就可以容易地为千瓦提出来，这是除了简单之外的主要优点。下一个升压的优点包括转换压力小和高转换频率，干扰低。IV双向转换器图8抽头电感升压直流-直流转换器（L1和L2是100uH；C1=100uF；C2=1000uF，D=40%；Uin=20V；IIn=1.4A，Uout=33V和R=90Ohm）双向电力转换器之间的缓冲区是图3所示点7和点8。根据转换象限的前一部分，转换器允许功率在任何一个方向转移，在这里可以看出I-Q和II-Q对于这些来说是必要的,或所有象限转换器都不相同。由于扭转当前流向和电压极性的能力必须不变；它们被用于电池源应用程序中。可实现双向转换器硬开关技术，或者谐振或软交换技术。所有这些导致增加组件使总效率减少和可靠性更低。我们关注这些直流到直流转换器的要点是：效率高；高开关频率;；输入和输出之间的高电压传输增益；低电流纹波；允许双向功率控制流；输入和输出之间的电隔离；EMI的低水平；交换器上的低应力。因此，主要目标是找到这些先前的点的中间地带。从图9所示，主要提出了拓扑是一项基本降压-升压的概念（Q1,Q2,D1和D2仅有一个引脚）。如果电流IL恰好流入终端A，它可以找到自己的方式回到B端或者通过Q2（如果Q2闭合）或通过Q1（如果Q2打开）。因为开关之一总是闭合并且显而易见的是电流IL可以总是循环。电流IL可以在任一方向流动，但直流电压的极性是固定的，点A-B（AB）之间的电压始终是正的。因此转换器提供电力的电池充放电的双向流动。另一方面，它们需要一个庞大的输入电感器L来限制电流脉动，尤其是当需要高电压传输增益的时候。这两种模式（降压和升压）高效率运作。这样做的主要缺点是输入和输出之间的非电隔离。为了最大限度地减少输入电感器的尺寸和电流纹波，以及降低单个开关电流应力，根据图9所示，前面的直流到直流转换器的概念可以通过一个输入耦合电感器设计多个引脚相互交叉的装置。这个概念是基于两个相同的引脚的移相控制等于一半的切换时间。在此，可以减小电流纹波，以及抽头电感升压和电感器的大小，然后比仅用一个电感器的概念低。这样的概念也降低了开关电流应力。双向降压和升压的多引脚转换器的其他优势是也使用与KW领域的应用。两级直流-直流转换器的双向概念去改善基于图4中的电压传输增益可以期望增益提高。但这个概念是如此的复杂，这种输出效率是与众不同的。然而，当需要一个非常高的直流电压传递增益时，必须使用一个高频变压器。从Q-I和已经执行的混合电源应用程序的二象限操作的转换器的分析来图9多引脚双向降压和升压转换器看，对于千瓦,基于升压和降压的直流-直流转换器的简单概念提供了良好的效率，低噪音和低EMI。这有功率达到几千瓦和控制策略简单的成本效益好的解决方案。当作为升压转换器时，桥的概念可以得到更广泛的功率范围，这些桥转换器的主要缺点是不连续的输出电流。所以，桥的概念是更频繁的情况下更高的电压传输增益要求。更多的讨论专注于光伏来源的电力电子部分。然而，可以使用简单的降压-升压转换器和转换器的拓扑结构为电池充电和放电提供的双向功率流的使用只由一个庞大的电感器继续下去。另一方面，它们真的需要一个庞大的输入电感器L来限制电流纹波，特别是当需要高电压传输增益，上面提到的。Buck-Boost概念的其他优点包括低压力开关和高开关频率。因此，这两个概念是适合这些应用程序。V光电转换器光伏的直流-直流转换器（图3；9和10之间直流-直流转换器）允许太阳能变换成电能。光伏发电机的电力电子技术主要是基于逆变器供电的交流电网。逆变器是光伏发电系统中最重要的元件，以达到最大的太阳能量。光伏组件串联连接的串接技术是其中应用最多的一种。这些系列连接被并行连接,通过串二极管。该光伏拓扑结构包括若干限制，例如由于串二极管的功率损耗，由于一个集中的最大功率点跟踪（MPPT），光伏组件和低效率之间的额外损失，当所有者要延长光伏电源的总功率时，刚性时间系统设计。更新的技术，其中多个串接口与自己的直流-直流转换器连接，然后并联连接，可以更有效。由于每串可以单独控制和最大功率点跟踪可以单独使用，与集中式系统相比，这串拓扑结构（称为多串）可以是有益的。在此实现了具有较高效率的柔性设计。另一方面，与集中式直流模块相比，独立的直流模块导致了更高的成本和更高的零售价格。因此，该转换器需要最大的效率。光伏转换器的两个主要概念是图10。根据图10a，良好的电网兼容性可以通过带变压器的逆变器来实现。开关跟随50赫兹，由于变压器，然后结果是庞大的。更高的开关频率通过高开关频率变压器提高尺寸和重量，尽管如此，输出效率也是没有的。如果最大限度地提高能源产量的无变压器的逆变器是更合适的概念，参见图10b。图10变压器和多引脚直流到直流的光伏概念光伏发电的基础上提供功率给直流电网的概念也是可能的。但MPPT解决稍有难度，因此从图10转换器的概念，具有MPPT和交流电网的概念提供功率是应用最广泛的一种。问题出现了，如果从光伏功率比负载要求更高，那么MPPT不能设置，然后我们就可以用低效率进行操作。为了改善这些修补程序，根据图11，电力电子的概念与光伏发电机提供功率给直流电网可以变得更好。VI逆变器（直流到直流）直流-交流转换器（图3和图11；图4和图3之间的转换器的直流到直流），使我们能够从光伏发电产生一个正弦交流输出或整流输出电压。因此，根据图4所示，对于电力电子的概念，直流-交流转换器必须是双向的，因为在两个方向的功率流是必需的。P相，由于它的实际的重要性，6脉冲控制的PWM逆变器是电力电子应用最广泛的单位之一。这些可以在4象限运行，这是在几kHZ的恒定开关频率下操作运行。如果整流模式是必要的，它们可以在双向模式下操作。例如，在感应电动机的制动中，这是典型的。对于我们的情况是，通过MPPT的设置，如果光伏电力是通过转换高于负载，然后转换器附带的电池整流模式中，整流模式可能是有用的。应该注意的是，这种双向变换器需要电感L，这是真正的缺点。为了获得良好的L值，提高效率是必要的，转换器设计在200HZ左右是一种昂贵的技术。因此，图3的概念更好的被图11的概念所取代。图12所示，该转换器基于多输入直流-直流升压变压器。图11混合动力源电力电子VII10千瓦功率转换器的设计电力电子与发动机-发电机组变速控制（6千瓦），n个光伏发电及（1.5千瓦）和超级电容器的简化框图如图12所示。当在使用最佳变速控制时，改变发动机转速，结果是两个输出电压和发电机的输出频率变化，并且所要求的负载必须被调节到一个恒定值。因此，一个交流到直流阶段的电力电子转换器；直流-直流和直流-交流需要来调节输出电压和频率（三相，400V，50HZ）。柴油机和永磁同步发电机已经在许多电力相关系统被广泛使用。我们的实验模型已经选定为一个带有3600转/分和1500转/分时，输出功率为7.7千瓦和3.8千瓦的柴油发动机（HATZ1D40）的6千瓦发动机-发电机组。发动机稍过大（至于输出功率），以方便负载的动态变化。永磁同步发电机是12极，同步发电机是通过一个机械离合器的装置连接到柴油发动机。发电机的输出电压具有未调节的频率，因为它是由一个变化的发电机的速度产生的。该SGPM的交流输出电压在100V-450V范围内的频率范围是100HZ-300HZ。电力电子代表电路：交流-直流，这里Vin是交流的输入和Vdc1是直流的输出；直流-直流，这里Vdc1是直流的输入和Vdc2是直流的输出；以及直流-交流等级。电力电子的测试结果可以在图13中看到。具有反馈控制步骤的直流-直流转换器的电压从不受控制的整流器的可变输出电压升高到Vdc2=570V的恒定值。图1210千瓦的电力电子（光伏光伏板,SC.超级电容器）图13交直流两用的输入和输出；1453转/分的速度的直流-直流和直流-交流转换器例如，电力电子的效率试验的结果，升压电路（蓝色），和两级升压电路的概念（红色）如图14。我国光伏发电机（1.2千瓦）的结果，这是由6块多晶模块，峰值功率为205瓦和输出电压27V和短路电流7.6A的MPEPS05建立的。直流-直流转换器的输出电压大约是140-150V被控制以实现MPPT。光电转换器输出设置为570V。一个功率缓冲器以多象限DC-DC转换器（即I和II象限）的形式，通过电子转换器相连，可以通过直流母线供电和充电，见图12点7和点8之间。如果负载要求低于光伏生产，这个概念是基于峰值功率的传输或者光伏发电机的充电MPPT操作。所需的能量W是由所需的最大功率P和调节TR的平均时间，当量给出。（4）。首先，在缓冲器中的处理储存能量的速率通过电力的光伏发电机提供峰值的1.2千瓦和通过最优变速的6千瓦的发动机-发电机组的概念给出。这样的来源常常运行在平均不超过额定负载的20%的低负载之下以及另一方面，它们的峰值（2S）需要超过额定负载。因此，我们对10千瓦的电源功率缓冲的要求是在10S内将6千瓦输送到直流线路并在30分钟内节约光伏发电机大约1kW的功率。所以，功率缓冲器必须提供超过60千焦以满足峰值功率。超级电容器的存储需要60KJ和150V，根据等式5，1800KJ的输出电容器7F和213F。andKJTPR60160.W(4)18)3(5)FUWCnomnom725016)2(27F电容器很容易去做出来，但是213F的数值对于超级电容器技术来说太图14效率实验的结果：升压和两级升压1千瓦、L=250uH高了。因此，镍-氢电池已被选为我们的实验设置。这些电池都是一些当今最具有成本效益的能源储量，其中能量是储存电化学的。这些电池的优点是良好的电特性和低的初始成本。这些电池的优点是良好的电特性和低的初始成本。然而，它们具有相比超级电容器或锂离子更低的功率密度，以及较大的尺寸和重量，低循环寿命，相对高的ESR。在分析大纲13，14表明：电池能够提供有效的脉动负荷，伴随有深放电。但是生命周期迅速被这个操作（意思是-高峰负荷）降低。超级电容器可以在短时间高效率地提供恒定的高功率，然后超级电容器在能量缓存领域是非常有趣的解决方案。根据图10，电池超级电容器混合系统与电子设备的设置以达到电池和转换器已经使用和设置的优势。多引脚双向转换器在没有变压器的情况下可以获得更高的电压增益。另一方面，根据图12，这一概念的主要优势是可以找到使用一个电感设计时多输入转换器时无可争议的证据。它被设计为中央直流-直流转换器的磁路给出：U形磁芯；1924平方毫米（37x52毫米）和轮廓a=19毫米；Bmx=0.3T；渗透性rFE=1000，路径长度lFE=0.28米。然后电感线圈的数目是N=200和气隙是lv=0.001（米）。图15a展示出了我们的升压转换器电感的照片和图15b展示出了我们的10千瓦电力电子实验模型的结果。燃料电池在我们的实验装置中没有被使用，因为例如1千瓦的价格太高了。升压，两级和10瓦的小燃料电池已经测试完成。实验证明，与升压或者两级直流-直流转换器相比，抽头电感的输入电压和电流的纹波是比较小的。VIII总结电力电子转换器概念的述评已经显示出混合动力电源。电力电子转换器的两方面展示出，多输入转换器和最佳结构。中央升压转换器的10千瓦电力电子概念被开发和描述了电感器的设计。电压电路，降压-升压电路，两级升压的直流-直流转换器，抽头电感和双向转换器的多引脚被设计和比较。本文还简要地显示了这些动力源的实验验证。图1510千瓦的电力电子技术实验装置致谢这项研究工作是由捷克共和国的GA支持（项目编号102/09/0013）.参考文献1J.Leuchter,P.Bauer,V.Rerucha,V.Hajek,“DynamicBehaviourModelingandVerificationofAdvancedElectrical-GeneratorSetConcept,”IEEETransactionsonIndustrialElectronics,vol.56,no.1,pp.266279,J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