CN115552112A - 使用平均马达速度参考作为反馈的偏航控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过控制多个偏航驱动致动器来控制风力涡轮机***的偏航的方法。基于作为输入信号的请求的马达速度参考和作为反馈信号的平均马达速度参考,该方法确定作为用于多个偏航驱动致动器的输出信号的所需的马达扭矩参考。多个偏航驱动致动器使机舱或包括多个机舱的结构旋转,从而为多个偏航驱动致动器提供均匀的负载分配。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,更具体地涉及一种用于控制多个偏航驱动致动器的方法。
背景技术
偏航***的任务是确定机舱相对于风的取向。大多数时候,偏航***是不活动的或停顿的。只有当机舱的取向需要改变时(通常是由于风向的改变),偏航***才会活动,以将机舱转向风。
在正常运行模式下,机舱与风向之间的偏差(偏航角)应尽可能小,以避免电力生产损失和减少负载。然而,与此同时,偏航***的反应不能太敏感,以避免将减少机械部件的寿命的连续的小偏航移动。
在现代风力涡轮机***中,偏航***中使用多个偏航驱动致动器来确定机舱相对于风的取向。在这样的***中,多个偏航驱动致动器与单个偏航环接合,偏离共同运行的任何偏航驱动致动器将导致该偏航驱动致动器的不均匀磨损,因此,以一种确保多个偏航驱动致动器之间尽可能均匀的运行条件的方式运行偏航驱动致动器是很重要的。
因此,一种改进的用于控制偏航***的方法将是有利的,特别地,一种更有效和/或可靠的控制多个偏航驱动致动器的方法将是有利的。
发明内容
本发明的一个目的是在偏航***活动时为多个偏航驱动致动器提供均匀的负载分配。
本发明的另一个目的是改进风力涡轮机的控制方法,特别是提高偏航***的部件的使用寿命的控制方法。
因此,上述目的和若干其他目的旨在于本发明的第一方面通过提供一种用于控制风力涡轮机***的偏航的方法来获得,所述风力涡轮机***包括机舱、塔架、涡轮机控制器和偏航***,
偏航***可运行以使机舱相对于塔架旋转,
偏航***包括马达控制器和多个偏航驱动致动器,
其中,马达控制器接收:
-请求的马达速度参考作为输入信号,以及
-平均马达速度参考作为反馈信号,并且
马达控制器提供:
-所需的马达扭矩参考作为输出信号,所需的马达扭矩参考根据输入信号和反馈信号确定,用于使所述多个偏航驱动致动器旋转机舱。
通过将用于所述多个偏航驱动致动器的所需的马达扭矩参考基于作为反馈信号的平均马达速度参考,提供了一种具有虚拟主驱动的控制方案,该虚拟主驱动基于平均马达速度进行构建。以这种方式,关于虚拟主驱动分担负载,该虚拟主驱动与以平均速度运行的驱动相一致。结果,本发明对于为多个偏航驱动致动器获得均匀的负载分配是特别有利的,但不是排他性地有利的。由此,每个偏航驱动致动器基本上输送相同的扭矩,执行均匀的动作从而避免不平衡,并避免单个偏航驱动致动器过载,从而提高偏航***的寿命,以及由于减少风力涡轮机不生产电力的停机时间而提高风力发电机的生产能力。
偏航***包括多个偏航驱动致动器,每个偏航驱动致动器包括马达和连接偏航驱动致动器的小齿轮。偏航***还包括偏航环,多个致动器连接到偏航环。偏航环位于塔架上,以允许机舱旋转。此外,偏航驱动致动器包括变频驱动。在本文中,变频驱动通常被认为是偏航驱动致动器的一部分,即使变频驱动可能与马达的其他部分分开设置。
偏航或旋转如本领域中常见的那样被理解为机舱的旋转。
马达优选地是电驱动马达(其通常是异步感应马达),但也可以是永磁体马达,每个马达都由单独的变频驱动供电,从而实现单独的马达控制。变频驱动与偏航***中的马达控制器相连,并从马达控制器接收所需的马达扭矩参考。替代地,这些马达可以是液压驱动马达。
塔架可以是一个或多个机舱可以安装在其上且可相对于塔架旋转的任何支撑结构或构造。塔架可以包括支撑臂,机舱安装在每个支撑臂上,因此,“使机舱相对于塔架旋转”的措辞也涵盖放置在支撑臂上的机舱被旋转的情况。此外,如下实施例是可能的:其中支撑臂可相对于塔架旋转,因此,当支撑臂相对于塔架旋转时,机舱都同时相对于塔架旋转;因此,“使机舱相对于塔架旋转”的措辞也涵盖这种情况。
根据一个实施例,该方法包括:当偏航***以正常运行模式运行时,马达控制器计算一个所需的马达扭矩参考,并且马达控制器将所述一个所需的马达扭矩参考发送给所述多个偏航驱动致动器中的所有。
当偏航***活动并将机舱转到相对于风的新位置时,偏航***以正常运行模式运行。正常运行下的马达控制器计算所需的马达扭矩参考,并将其发送给所有偏航驱动致动器。这对为多个偏航驱动致动器获得均匀负载分配是有利的,还简化了控制,因为只计算一个所需的马达扭矩参考。因此,在正常运行下,偏航驱动致动器以一个整体进行运行。
为了计算所需的马达扭矩参考,马达控制器从涡轮机控制器接收请求的马达速度参考作为输入信号,并且平均马达速度参考被确定为反馈信号。平均马达速度参考可以由涡轮机控制器或马达控制器本身确定。如果马达控制器确定平均马达速度参考,这是在处理反馈控制的计算块之外的单独的计算块中完成的。请求的马达速度参考是来自涡轮机控制器的例如以一定的速度使机舱偏航的请求。
根据一个实施例,该方法包括:每个偏航驱动致动器包括马达,并且平均马达速度参考被计算为所有马达的马达速度的平均值。
根据一个实施例,该方法包括:每个偏航驱动致动器包括马达,并且平均马达速度参考被计算为选定的马达子组的马达速度的平均值。
根据一个实施例,该方法包括:在平均马达速度参考的计算中,选定的马达子组不包括马达速度高于高速阈值速度的马达和/或马达速度低于低速阈值速度的马达。
如果一些马达没有运行或运行速度与其他马达相差很大,那么能够将一些马达从平均马达速度参考的计算中排除是有利的。如果致动器必须比其他致动器旋转更大的距离才能使小齿轮与偏航环的齿轮接合,则这通常在启动偏航时发生。例如,如果偏航环上有断齿,就会发生这种情况。
根据一个实施例,该方法包括:所需的马达扭矩参考被扭矩限制器限制为不超过最大扭矩。
最大扭矩是由马达的最大容量确定的,因此保持恒定。因此,马达不可能输送高于最大扭矩的扭矩,在所需的马达扭矩参考的计算中包括最大扭矩是有利的,以便以受控方式处理***。
根据一个实施例,该方法包括:所需的马达扭矩参考被限制以避免高于最大马达速度的马达速度。
在一个实施例中,不应超过最大马达速度,即使可能比最大马达速度快一点地运行马达,因为这样做有可能使马达过载并可能损坏马达,这是不期望的。在所需的马达速度扭矩参考的计算中包括最大马达速度是有利的,这样就可以控制过程,并将预期的后果包括在控制中。
根据一个实施例,该方法包括:马达控制器还接收作为输入的最大功率使用参考,并且其中,有限的马达速度参考被限制为不需要超过根据最大功率使用参考可用的功率。
在可用功率有限的情况下,控制可用功率的使用是有利的,以便以受控方式将功率分配给马达。要做到这一点,有利的是不允许比可用功率更高的功率使用,以便控制过程,并将预期的后果包括在控制中。
根据一个实施例,该方法包括:马达速度的变化不超过最大速度变化率。
特别是在启动期间,避免因试图使马达以超过***所能以有效和受控方式处理的能力加速而造成高瞬时峰值扭矩是有利的。因此,速度升降被实施为将加速限制在最大的速度变化率。限制加速降低了损坏马达或使马达过载的风险。
根据一个实施例,该方法包括:马达控制器包括动态速度限制器,
-动态速度限制器基于请求的马达速度参考和最大功率使用参考计算有限的马达速度参考,使得:
-有限的马达速度参考不高于最大马达速度,并且
-马达速度的变化不超过最大速度变化率,并且
-功率使用不超过最大功率使用参考。
动态速度限制器是马达控制器中的功能块,它在考虑到不同参数的情况下计算有限的马达速度参考,以避免超过最大马达速度和最大功率使用,还避免了马达的高加速。
如果没有超过限制参数的风险,有限的马达速度参考与请求的马达速度参考相同。
根据一个实施例,该方法包括:马达控制器包括速度控制单元,
速度控制单元包括PID控制器,
-该PID控制器基于有限的马达速度参考和平均马达速度参考计算出计算的马达扭矩参考,并且
-计算的马达扭矩参考被用来确定所需的马达扭矩参考。
速度控制单元是包括PID控制器的马达控制器中的功能块。PID(比例-积分-微分)控制器是采用反馈的控制回路机制,其广泛用于需要连续调制控制的工业控制***中。PID控制器连续计算作为期望的设定点(本例中为有限的马达速度参考)和测量的过程变量(本例中为平均马达速度参考)之间的差异的误差值,并基于比例、积分和微分项(分别表示为P、I和D)进行修正,因此得名。在PID控制器中,D可以是零,在这种情况下,PID控制器是PI控制器。
根据一个实施例,该方法包括:速度控制单元还包括扭矩限制器,
-扭矩限制器基于计算的马达扭矩参考确定所需的马达扭矩参考,使得:
-所需的马达扭矩参考不超过最大扭矩。
扭矩限制器是速度控制单元中的子功能块。扭矩限制器功能块是确保马达扭矩参考不超过最大扭矩的程序化功能块。速度控制单元和扭矩限制器被实施为马达控制器的一部分,该实施可以通过编程在作为马达控制器的一部分的软件中或马达控制器使用的单独软件例程中的许多不同的方式来完成。
根据一个实施例,该方法包括:风力涡轮机***包括多个机舱,偏航***被布置为旋转多个机舱中的一个或多个。因此,本发明的方法也可以应用于多转子风力涡轮机。
在多转子涡轮机中,机舱可以安装在支撑臂上或安装在允许在同一风力涡轮机***上安装更多机舱的其他支撑结构上。本发明的方法可以单独地用于多个机舱,使得放置在支撑臂上的单个机舱可以旋转,同时其他机舱不旋转。该方法也可用于通过旋转其上安装有多个机舱的整个结构来旋转所有的机舱,使得多个机舱同时旋转。然后多个机舱相对于塔架旋转,因此每个单独的机舱也相对于塔架旋转。
本发明的第二方面涉及一种用于控制风力涡轮机的偏航的控制***,其中该控制***被布置为执行根据第一方面的方法的步骤。
本发明的第三方面涉及一种风力涡轮机,其中,该风力涡轮机还包括根据第二方面的用于控制风力涡轮机***的偏航的控制***。
本发明的第四方面涉及一种计算机程序产品,该计算机程序产品包括当在数据处理***上执行时适于控制风力涡轮机的软件代码,该计算机程序产品适于执行第一方面的方法。
马达控制器、动态速度限制器、速度控制器、扭矩限制器等的不同部分可以在单独的计算机程序中实现,或者被实现为在同一或不同微处理器上运行的同一计算机程序中的不同功能块。同样,马达控制器和涡轮机控制器可以在于单独的计算机或微处理器上运行的不同软件程序中实现,也可以在于同一计算机或微处理器上运行的同一软件程序中实现,或以它们的任何组合实现。
大体而言,本发明的各方面和实施例可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将参照下文描述的实施例而显而易见并得到阐明。
附图说明
本发明的实施例将参照附图仅以示例的方式进行描述,其中:
图1图示了风力涡轮机,
图2图示了配置为多转子风力涡轮机的风力涡轮机,
图3图示了偏航***,
图4图示了偏航控制器,
图5图示了运行包络,
图6图示了每个驱动的马达控制器。
附图显示了实施本发明的一种方式,并且不应解释为对落入所附权利要求集的范围内的其他可能实施例的限制。
具体实施方式
图1显示了风力涡轮机100(WTG),其包括塔架101和带有至少一个转子叶片103的转子102。通常使用三个叶片,但也可以使用不同数量的叶片。叶片103与轮毂105连接,轮毂105被布置为与叶片一起旋转。转子连接到机舱104,机舱安装在塔架101的顶部,并适于经由传动***驱动位于机舱内的发电机。转子102可在风的作用下旋转。风引起的转子叶片103的旋转能量经由轴传递给发电机。因此,风力涡轮机100能够借助于转子叶片将风的动能转化为机械能,并随后借助于发电机将其转化为电能。发电机与功率转换器相连。
图2显示了被配置为多转子风力涡轮机的替代风力涡轮机100。多转子风力涡轮机包括多个机舱104。这里显示的是4个机舱的示例,但在一般情况下,两个或更多个机舱可用于多转子涡轮机。如上图所示,机舱104可以经由塔架101和从塔架101向外延伸的支撑臂106来支撑,从而将机舱放置得远离塔架并位于塔架的相对侧。替代地,如下图所示,机舱104可以通过从基底130(例如地面或浮动基底)延伸的倾斜塔架101来支撑,从而使两个或更多个机舱104在给定高度上彼此充分分开。本发明的实施例可以与多转子风力涡轮机或单转子风力涡轮机一起使用。
图3显示了根据本发明的偏航***的实施例。在图示的示例中,偏航***包括十八个偏航驱动致动器301,其中十个在图3中显示。在其他配置中,可以使用更多或更少的偏航驱动致动器。每个偏航驱动致动器301包括马达302(在本实施例中是电驱动马达),以及连接偏航驱动致动器301和偏航环305的小齿轮304。此外,偏航驱动致动器301包括变频驱动(VFD)306。
马达302可以是异步感应马达类型,每个都由单独的变频驱动306供电,从而实现单独的马达控制。在图3中可以看到,变频驱动306聚集在中心的机柜中,并连接到马达控制器307,但是变频驱动306也可以放置在其他位置。
马达302包括检测马达的位置的编码器,该编码器为位置计,从位置的变化可以导出马达速度。编码器用于检测马达302的速度,并将速度返回给变频驱动306。
编码器可用于每个马达302,以检测马达302的位置和速度,并确保负载分担,同时避免使马达302中的任何一个过载。
马达控制器307向变频驱动306输出所需的马达扭矩参考403,马达控制器307通过与编码器、各个变频驱动306的通信或通过与涡轮机控制器308的通信接收关于马达速度的信息,平均马达速度参考402可以由马达控制器或涡轮机控制器计算。此外,基于来自风向装置309的输入,马达控制器307从涡轮机控制器308接收关于何时偏航和向哪个方向偏航的信号。
涡轮机控制器308可以控制偏航***300,并且涡轮机控制器308在需要偏航时激活马达控制器307。
图4是偏航控制方案的实施例的示意图。偏航控制器包括集中的控制结构,其中单个马达控制器307基于请求的马达速度参考401和所有马达302或选定的马达302子组的平均马达速度参考402来运行所有的偏航驱动致动器301。
选定的马达302子组可以不包括最快和/或最慢的马达302,以增加鲁棒性,或者选定的马达302子组可以不包括运行速度快于高速阈值速度和/或慢于低速阈值速度的马达302。
在正常运行下,为所有偏航驱动致动器301请求相同的扭矩、所需的马达扭矩参考403,以确保均匀的负载分配。然而,如果请求的话,可以不均匀地分配每个单独的驱动的扭矩参考,例如,当通过划分的偏航部分时,可能期望减少扭矩,或者在自检期间,每个驱动被单独测试。
从马达控制器307发送至偏航驱动致动器的所需的马达扭矩参考403被变频驱动306接收。然后,变频驱动306向马达302发送马达信号420,然后马达302将马达轴扭矩421应用到偏航***300和小齿轮304上,以将扭矩传递给偏航环305。
基于来自每个马达302的马达速度422,涡轮机控制器308或马达控制器计算平均马达速度参考402,作为反馈信号给马达控制器307。马达控制器可以在与控制回路计算块分开的计算块中计算它自己的反馈信号。此外,每个马达302的马达速度作为反馈信号经由内扭矩控制回路423被发送回变频驱动306。
图5显示了用于马达的4象限控制的运行包络501的示例。运行包络501是如下坐标系:其中X轴是平均马达速度参考402,Y轴是应用于马达302的所需的马达扭矩参考403。
由马达控制器307计算的有限的马达速度参考407(图6)不允许高于最大马达速度506。最大马达速度506由第一象限502中的竖直曲线部分图示。
由马达控制器307计算的所需的马达扭矩参考403不允许高于最大扭矩507。最大扭矩507由第一象限502中的水平曲线部分图示。
第一象限502中的曲线的弯曲部分508图示了在考虑最大功率使用参考405的情况下速度和扭矩之间的关系。当马达以高速度进行运行时,可以应用的扭矩受到最大功率使用参考405的限制。
第三象限503等同于第一象限502,只是将马达302在相反的方向上旋转。
图6图示了马达控制器307的实施例的图形表示。
马达控制器307的目标是确定产生请求的马达速度参考401需要的所需的马达扭矩参考403。
控制策略包括级联结构中的两个反馈控制回路,其中扭矩和速度控制两者都被使用。这两个反馈回路包括内回路和外回路。内回路在图4中显示为内扭矩控制回路,其中它被图示为由变频驱动306处理,变频驱动306从马达控制器307接收所需的马达扭矩参考403。而图6中未显示的变频驱动306放置在马达控制器307和马达302之间,如图4中所示。
内扭矩控制回路423由变频驱动306处理,使得输出是用于获得期望的马达扭矩的扭矩参考。理想地,马达轴扭矩421等于所需的马达扭矩403。
外反馈回路在图6中被图示为速度控制回路612,该速度控制回路612将平均马达速度参考402返回到速度控制单元408。速度控制单元接收有限的马达速度参考407作为输入信号,以及接收平均马达速度参考402作为反馈信号,并将所需的马达扭矩参考403作为输出发送给马达302。
速度控制单元由PI控制器409和扭矩限制器404组成。
PI控制器409是用于速度控制的比例积分控制器,因为它产生统一的直流增益和巨大的干扰抑制。速度控制回路612将平均马达速度参考402返回到速度控制单元408。从有限的马达速度参考407中减去平均马达速度参考402,得到误差信号424作为PI控制器409的输入,PI控制器409提供计算的马达扭矩参考410作为输出。PI控制器也可以是PID控制器,但在所描述的实施例中,PID中的微分(D)部分为零。
扭矩限制器404在图5中的第1和第3象限中的运行期间将扭矩限制到最大扭矩507。扭矩限制器404从PI控制器409接收计算的马达扭矩参考410作为输入,并输送所需的马达扭矩参考403作为输出信号。
动态速度限制器406用于限制速度参考,从而确定有限的马达速度参考407。请求的速度参考401是从涡轮机控制器308接收的,但是可以由于根据最大功率使用参考405的功率限制而降低。此外,速度可以在速度饱和例程615中降低,以不超过最大功率速度506,并且速度升降例程616确保不将马达加速到超过最大速度变化率。
在经过低通滤波器616和方向饱和滤波器617(它基本上确保了反馈信号具有最小的数值,而不是零)后,动态速度限制器406还使用所需的马达扭矩参考403的反馈。
尽管本发明已经结合具体实施例进行了描述,但不应将其理解为以任何方式限于所提出的示例。本发明的范围由所附的权利要求集规定。在权利请求的上下文中,术语“包括”或“包含”并不排除其他可能的元素或步骤。另外,对诸如“一”或“一个”等的参考的提及不应被解释为排除多个。在权利要求书中对图中所示元素的参考符号的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外,在不同的权利要求中提及的单个特征可能可以有利地组合,在不同的权利要求中提及这些特征并不排除特征的组合是不可能的和有利的。
Claims (16)
1.一种用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,所述风力涡轮机***包括机舱(104)、塔架(101)、涡轮机控制器(308)和偏航***(300),
所述偏航***(300)可运行以使所述机舱(104)相对于所述塔架(101)旋转,
所述偏航***(300)包括马达控制器(307)和多个偏航驱动致动器(301),
其中,所述马达控制器(307)接收:
-请求的马达速度参考(401)作为输入信号,以及
-平均马达速度参考(402)作为反馈信号,并且
所述马达控制器(307)提供:
-所需的马达扭矩参考(403)作为输出信号,所述所需的马达扭矩参考(403)根据所述输入信号和所述反馈信号确定,用于使所述多个偏航驱动致动器(301)旋转所述机舱(104)。
2.根据权利要求1所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,当所述偏航***(300)以正常运行模式运行时,所述马达控制器(307)计算一个所需的马达扭矩参考(403),并且所述马达控制器(401)将所述一个所需的马达扭矩参考(403)发送给所述多个偏航驱动致动器(301)中的所有。
3.根据权利要求1或2所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,每个偏航驱动致动器(301)包括马达(302),并且所述平均马达速度参考(402)被计算为所有马达(302)的马达速度(422)的平均值。
4.根据权利要求1或2所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,每个偏航驱动致动器(301)包括马达(302),并且所述平均马达速度参考(402)被计算为选定的马达(302)子组的马达速度(422)的平均值。
5.根据权利要求4所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,在所述平均马达速度参考(402)的计算中,所述选定的马达(302)子组不包括马达速度高于高速阈值速度的马达(302)和/或马达速度低于低速阈值速度的马达(302)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述所需的马达扭矩参考(403)被扭矩限制器(404)限制为不超过最大扭矩。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述所需的马达扭矩参考(403)被限制以避免高于最大马达速度的马达速度(422)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述马达控制器(307)还接收作为输入的最大功率使用参考(405),并且其中,有限的马达速度参考(407)被限制为不需要超过根据所述最大功率使用参考(405)可用的功率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,马达速度(422)的变化不超过最大速度变化率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述马达控制器(307)包括动态速度限制器(406),
-所述动态速度限制器(406)基于所述请求的马达速度参考(401)和所述最大功率使用参考(405)计算所述有限的马达速度参考(407),使得:
-所述有限的马达速度参考(407)不高于所述最大马达速度,并且
-马达速度(422)的变化不超过最大速度变化率,并且
-功率使用不超过所述最大功率使用参考(405)。
11.根据权利要求10所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述马达控制器(307)包括速度控制单元(408),
所述速度控制单元包括PID控制器(409),
-所述PID控制器(409)基于所述有限的马达速度参考(407)和所述平均马达速度参考(402)计算出计算的马达扭矩参考(410),并且
-所述计算的马达扭矩(410)参考被用于确定所述所需的马达扭矩参考(403)。
12.根据权利要求10或11所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述速度控制单元(408)还包括扭矩限制器(404),
-所述扭矩限制器(404)基于所述计算的马达扭矩参考(410)确定所述所需的马达扭矩参考(403),使得
-所述所需的马达扭矩参考(410)不超过最大扭矩。
13.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的方法,其中,所述风力涡轮机***包括多个机舱(104),并且所述偏航***(300)被布置为旋转所述多个机舱(104)中的一个或多个。
14.一种用于控制风力涡轮机***的偏航的控制***,其中,所述控制***被布置为执行根据权利要求1-13中任一项所述的方法的步骤。
15.一种风力涡轮机***,其包括根据权利要求14所述的用于控制风力涡轮机***的偏航的控制***。
16.一种计算机程序产品,所述计算机程序产品包括当在数据处理***上执行时适于控制风力涡轮机***的软件代码,所述计算机程序产品适于执行权利要求1-13中任一项所述的方法。
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