CN202696173U - 永磁直驱风电机组的仿真装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种永磁直驱风电机组的仿真装置，包括风力发电机组和全功率变流器。风力发电机组包括桨距控制器、风力机、轴系控制器和永磁同步发电机，其中风力机具有风轮，桨距控制器调节风轮桨叶的角度，轴系控制器调节风轮输出轴转速，风力机驱动永磁同步发电机的转子。全功率变流器连接到永磁同步发电机，永磁同步发电机通过全功率变流器连接到电网。本实用新型的永磁直驱风电机组的仿真装置可以仿真实现以下功能：控制发电机与电网之间有功无功的交换、控制机组发出的有功功率追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限制风电机组出力。

Description

永磁直驱风电机组的仿真装置

技术领域

本实用新型涉及风电设备领域，尤其涉及一种永磁直驱风电机组的仿真装置。 

背景技术

1891年，第一台试验风机诞生，这预示着风力发电的开始。1897年，风机***正式用于商业化。但此后，风力发电发展缓慢，直至上个世纪70年代的世界石油危机才使风力发电真正得到发展。美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入了大量经费，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料力学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。 

近20年，发达国家在风力发电技术领域已取得巨大的成就。并网运行的风力发电机组单机容量从最初的数十千瓦级已发展到兆瓦级；控制方式从单一的定桨距失速控制向全桨叶变距和变速恒频发展，运行可靠性从20世纪80年代初的50%，提高到98%以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。 

自1990年以来，世界风力发电累计装机容量平均每年增长超过20%，仅2005年世界新增装机就达到11769MW，其增长速度超过了任何一种电力增长的速度。 

风电机组有多种类型，常用的风电机组包括：基于普通异步发电机的恒速风电机组、基于双馈感应发电机的变速风电机组和基于永磁同步发电机的直驱型变速风电机组。 

就风电的应用地区而言，可以分为陆上风电和海上风电。陆上风电要求有大片开阔的场地来搭建分机，对于人口稠密的沿海地区较难推广。而海上风带就适合在沿海地区应用。海上风电的特点是风速变化大、低风速状况多、对机组的稳定性和故障穿越能力要求更好。在常用的风机中，基于永磁同步发电机的直驱型变速风电机组比较适合于在海上应用。 

基于永磁同步发电机的直驱型变速风电机组（永磁直驱风机）采用变桨距控制。图1揭示了永磁直驱风机的结构图。如图1所示，永磁直驱风机100包括：风轮102、多级低速永磁同步发电机104、全功率换流器106、包括直流电容和变压器的接入设备108、通过接入设备108接入电网110。全功率变流器106的解耦控制使得永磁直驱风机与电网在电气上完全解耦，其特性完全取决于变流器的控制***及控制策略。 

永磁直驱风机的主要优点是无增速齿轮箱，具有更高的可靠性和效率；切入风速低，更能适应低风速运行；采用全功率变流器，并网冲击小，具有低电压穿越能力。永磁直驱风机的缺点是全功率换流器较复杂，整机装机前测试工作繁琐。 

实用新型内容

本实用新型旨在提出一种永磁直驱风电机组的仿真装置。 

根据本实用新型的一实施例，提出一种永磁直驱风电机组的仿真装置，包括风力发电机组和全功率变流器。风力发电机组包括桨距控制器、风力机、轴系控制器和永磁同步发电机，其中风力机具有风轮，桨距控制器调节风轮桨叶的角度，轴系控制器调节风轮输出轴转速，风力机驱动永磁同步发电机的转子。全功率变流器连接到永磁同步发电机，永磁同步发电机通过全功率变流器连接到电网。 

在一个实施例中，全功率变流器是“有功-无功”型全功率变流器，该“有功-无功”型全功率变流器包括电网侧仿真设备和电机侧仿真设备。电网侧仿真设备包括功率测量器、电网侧有功控制器、电网侧电流测量器、第一坐标变换器、电网侧电流控制器、第二坐标变换器和电网侧变流器；功率测量器检测电网侧功率并输出功率参数给电网侧有功控制器，电网侧有功控制器基于功率参数产生电网侧有功控制参数输出给电网侧电流控制器，电网侧电流测量器检测电网侧电流并输出电网侧电流参数给第一坐标变换器，第一坐标变换器对电网侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流参数给电网侧电流控制器，电网侧电流控制器根据电网侧有功控制参数和经相位变换的电网侧电流参数产生电网侧电流控制信号并输出给第二坐标变换器，第二坐标变换器对电网侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流控制信号给电网侧变流器。电机侧仿真设备包括电压测量器、电机侧有 功控制器、电机侧电流测量器、第三坐标变换器、电机侧电流控制器、第四坐标变换器和电机侧变流器；电压测量器检测电机侧电压并输出电压参数给电机侧有功控制器，电机侧有功控制器基于电压参数产生电机侧有功控制参数输出给电机侧电流控制器，电机侧电流测量器检测电机侧电流并输出电机侧电流参数给第三坐标变换器，第三坐标变换器对电机侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流参数给电机侧电流控制器，电机网侧电流控制器根据电机侧有功控制参数和经相位变换的电机侧电流参数产生电机侧电流控制信号并输出给第四坐标变换器，第四坐标变换器对电机侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流控制信号给电机侧变流器。 

该电网侧仿真设备还包括最大功率***和电网侧锁相环。最大功率***检测电网侧的最大功率并输出最大功率参数给电网侧有功控制器。电网侧锁相环检测电网侧电流的相位并将相位参数输出给第一坐标变换器和第二坐标变换器。 

该电机侧仿真设备还包括校准电压测量器和电机侧锁相环。校准电压测量器检测电机侧的校准电压并输出校准电压参数数给电机侧有功控制器。电机侧锁相环检测电机侧电流的相位并将相位参数输出给第三坐标变换器和第四坐标变换器。 

在一个实施例中全功率变流器是“电压-无功”型全功率变流器，该“电压-无功”型全功率变流器包括电网侧仿真设备和电机侧仿真设备。电网侧仿真设备包括电网侧功率测量器、电网侧电压测量器、电网侧有功控制器、电网侧电流测量器、第一坐标变换器、电网侧电流控制器、第二坐标变换器和电网侧变流器；电网侧功率测量器检测电网侧功率并输出电网侧功率参数给电网侧有功控制器，电网侧电压测量器检测电网侧电压并输出电网侧电压参数给电网侧有功控制器，电网侧有功控制器基于电网侧功率参数和电网侧电压参数产生电网侧有功控制参数输出给电网侧电流控制器，电网侧电流测量器检测电网侧电流并输出电网侧电流参数给第一坐标变换器，第一坐标变换器对电网侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流参数给电网侧电流控制器，电网侧电流控制器根据电网侧有功控制参数和经相位变换的电网侧电流参数产生电网侧电流控制信号并输出给第二坐标变换器，第二坐标变换器对电网侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流控制信号给电网侧变流器。电机侧仿真设备包括电机侧电压测量器、电机侧 功率测量器、电机侧有功控制器、电机侧电流测量器、第三坐标变换器、电机侧电流控制器、第四坐标变换器和电机侧变流器；电机侧电压测量器检测电机侧电压并输出电机侧电压参数给电机侧有功控制器，电机侧功率测量器检测电机侧功率并输出电机侧功率参数给电机侧有功控制器，电机侧有功控制器基于电机侧电压参数和电机侧功率参数产生电机侧有功控制参数输出给电机侧电流控制器，电机侧电流测量器检测电机侧电流并输出电机侧电流参数给第三坐标变换器，第三坐标变换器对电机侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流参数给电机侧电流控制器，电机网侧电流控制器根据电机侧有功控制参数和经相位变换的电机侧电流参数产生电机侧电流控制信号并输出给第四坐标变换器，第四坐标变换器对电机侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流控制信号给电机侧变流器。 

该电网侧仿真设备还包括保护器和电网侧锁相环。保护器连接到电网侧电压测量器，保护器监测电网侧电压并进行保护。电网侧锁相环检测电网侧电流的相位并将相位参数输出给第一坐标变换器和第二坐标变换器。 

该电机侧仿真设备还包括最大功率***和电机侧锁相环。最大功率***检测电机侧的最大功率并输出最大功率参数给电机侧有功控制器。电机侧锁相环，电机侧锁相环检测电机侧电流的相位并将相位参数输出给第三坐标变换器和第四坐标变换器。 

本实用新型的永磁直驱风电机组的仿真装置可以仿真实现以下功能:控制发电机与电网之间有功无功的交换、控制机组发出的有功功率追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限制风电机组出力。 

附图说明

图1揭示了永磁直驱风机的结构示意图。 

图2揭示了根据本实用新型的一实施例的永磁直驱风电机组的仿真装置的结构示意图。 

图3揭示了根据本实用新型的一实施例的“有功-无功”型全功率变流器的结构示意图。 

图4揭示了根据本实用新型的一实施例的“电压-无功”型全功率变流器的结构示意图。 

具体实施方式

参考图2所示，本实用新型提出一种永磁直驱风电机组的仿真装置，该永磁直驱风电机组的仿真装置200包括风力发电机组201和全功率变流器202。风力发电机组201包括桨距控制器203、风力机204、轴系控制器205和永磁同步发电机206，其中风力机204具有风轮，桨距控制器203调节风轮桨叶的角度，轴系控制器205调节风轮输出轴转速，风力机204驱动永磁同步发电机206的转子。全功率变流器202连接到永磁同步发电机206，永磁同步发电机206通过全功率变流器202连接到电网。 

全功率变流器202可以使用“有功-无功”型或者“电压-无功”型两种。 

图3揭示了“有功-无功”型全功率变流器的结构示意图。“有功-无功”型全功率变流器的电网侧变流器对输入电网的有功无功进行解耦控制，并完成风电机组的最大功率追踪策略。参考图3所示，该“有功-无功”型全功率变流器的仿真装置300包括电网侧仿真设备301电机侧仿真设备302。 

电网侧仿真设备301包括功率测量器310、电网侧有功控制器311、电网侧电流测量器312、第一坐标变换器313、电网侧电流控制器314、第二坐标变换器315和电网侧变流器316。在图3所示的实施例中，该电网侧仿真设备301还包括最大功率***317和电网侧锁相环318。 

功率测量器310检测电网侧功率并输出功率参数给电网侧有功控制器311。在图3所示的实施例中，最大功率***317检测电网侧的最大功率并输出最大功率参数给电网侧有功控制器311。电网侧有功控制器311基于功率参数产生电网侧有功控制参数输出给电网侧电流控制器314。在存在最大功率***317的情况下，电网侧有功控制器311还同时参考最大功率***317检测的最大功率来产生电网侧有功控制参数。 

电网侧电流测量器312检测电网侧电流并输出电网侧电流参数给第一坐标变换器313。在图3所示的实施例中，还包括电网侧锁相环318，电网侧锁相环318检测电网侧电流的相位并将相位参数输出给第一坐标变换器313。第一坐标变换器313对电网侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流参数给电网侧电流控制器314。在存在电网侧锁相环318的时候，第一坐标变换器313在对电网侧电流参数做相位变换的时候参考电网侧锁相环318输出的相位参数。 

电网侧电流控制器314根据电网侧有功控制参数和经相位变换的电网侧 电流参数产生电网侧电流控制信号并输出给第二坐标变换器315，第二坐标变换器315对电网侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流控制信号给电网侧变流器316。在存在电网侧锁相环318的时候，电网侧锁相环318输出的相位参数也同时输出到第二坐标变换器315。第二坐标变换器315在对电网侧电流控制信号做相位变换时同时依据由电网侧锁相环318输出的相位参数。 

电机侧仿真设备302包括电压测量器320、电机侧有功控制器321、电机侧电流测量器322、第三坐标变换器323、电机侧电流控制器324、第四坐标变换器325和电机侧变流器326。在图3所示的实施例中，该电机侧仿真设备302还包括校准电压测量器327和电机侧锁相环328。 

电压测量器320检测电机侧电压并输出电压参数给电机侧有功控制器321。电机侧有功控制器321基于电压参数产生电机侧有功控制参数输出给电机侧电流控制器324。在图3所示的实施例中，校准电压测量器327检测电机侧的校准电压并输出校准电压参数数给电机侧有功控制器321。电机侧有功控制器321在产生电机侧有功控制参数时参考校准电压测量器327检测的校准电压。校准电压测量器327可以防止电压测量器320出现误测的情况。 

电机侧电流测量器322检测电机侧电流并输出电机侧电流参数给第三坐标变换器323。在图3所示的实施例中，还包括电机侧锁相环328，电机侧锁相环328检测电机侧电流的相位并将相位参数输出给第三坐标变换器323。第三坐标变换器323对电机侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流参数给电机侧电流控制器324。在存在电机侧锁相环328的时候，第三坐标变换器323在对电机侧电流参数做相位变换的时候参考电网侧锁相环318输出的相位参数。 

电机侧电流控制器324根据电机侧有功控制参数和经相位变换的电机侧电流参数产生电机侧电流控制信号并输出给第四坐标变换器325。第四坐标变换器325对电机侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流控制信号给电机侧变流器326。在存在电机侧锁相环328的时候，第四坐标变换器325在对电网侧电流控制信号做相位变换时同时依据由电机侧锁相环328输出的相位参数。 

对于“电压-无功”型全功率变流器，电网侧变流器同样能对输入电网的有功无功进行解耦控制，并完成风电机组的最大功率追踪策略。与“有功-无 功”型全功率变流器的不同之处在于，“电压-无功”型全功率变流器对输入电网有功的控制是通过控制直流母线电压间接实现的。图4揭示了根据本实用新型的一实施例的“电压-无功”型全功率变流器的结构示意图。参考图4所示，“电压-无功”型全功率变流器的仿真装置400包括电网侧仿真设备401电机侧仿真设备402。 

电网侧仿真设备401包括电网侧功率测量器410、电网侧电压测量器419、电网侧有功控制器411、电网侧电流测量器412、第一坐标变换器413、电网侧电流控制器414、第二坐标变换器415和电网侧变流器416。在图4所示的实施例中，该电网侧仿真设备401还包括保护器417和电网侧锁相环418。 

电网侧功率测量器410检测电网侧功率并输出电网侧功率参数给电网侧有功控制器411。电网侧电压测量器419检测电网侧电压并输出电网侧电压参数给电网侧有功控制器411。电网侧有功控制器411基于电网侧功率参数和电网侧电压参数产生电网侧有功控制参数输出给电网侧电流控制器414。 

电网侧电流测量器412检测电网侧电流并输出电网侧电流参数给第一坐标变换器413。在图4所示的实施例中，还包括电网侧锁相环418，电网侧锁相环418检测电网侧电流的相位并将相位参数输出给第一坐标变换器413。第一坐标变换器413对电网侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流参数给电网侧电流控制器414。在存在电网侧锁相环418的时候，第一坐标变换器413在对电网侧电流参数做相位变换的时候参考电网侧锁相环418输出的相位参数。 

电网侧电流控制器414根据电网侧有功控制参数和经相位变换的电网侧电流参数产生电网侧电流控制信号并输出给第二坐标变换器415，第二坐标变换器415对电网侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流控制信号给电网侧变流器416。在存在电网侧锁相环418的时候，电网侧锁相环418输出的相位参数也同时输出到第二坐标变换器415。第二坐标变换器415在对电网侧电流控制信号做相位变换时同时依据由电网侧锁相环418输出的相位参数。 

保护器417连接到电网侧电压测量器419，保护器419监测由电网侧电压测量器419测量的电网侧电压并根据该电压进行保护。 

电机侧仿真设备402包括电机侧电压测量器420、电机侧功率测量器429、电机侧有功控制器421、电机侧电流测量器422、第三坐标变换器423、电机 侧电流控制器424、第四坐标变换器425和电机侧变流器426。在图4所示的实施例中，该电机侧仿真设备402还包括最大功率***427和电机侧锁相环428。 

电压测量器420检测电机侧电压并输出电机侧电压参数给电机侧有功控制器421。电机侧功率测量器429检测电机侧功率并输出电机侧功率参数给电机侧有功控制器421。电机侧有功控制器421基于电机侧电压参数和电机侧功率参数产生电机侧有功控制参数输出给电机侧电流控制器424。在图4所示的实施例中，还包括最大功率***427。最大功率***427检测电机侧的最大功率并输出最大功率参数给电机侧有功控制器421。在存在最大功率***427的情况下，电机侧有功控制器421在产生电机侧有功控制参数时同时依据最大功率参数。 

电机侧电流测量器422检测电机侧电流并输出电机侧电流参数给第三坐标变换器423。在图4所示的实施例中，还包括电机侧锁相环428，电机侧锁相环428检测电机侧电流的相位并将相位参数输出给第三坐标变换器423。第三坐标变换器423对电机侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流参数给电机侧电流控制器424。在存在电机侧锁相环428的时候，第三坐标变换器423在对电机侧电流参数做相位变换的时候参考电网侧锁相环418输出的相位参数。 

电机侧电流控制器424根据电机侧有功控制参数和经相位变换的电机侧电流参数产生电机侧电流控制信号并输出给第四坐标变换器425。第四坐标变换器425对电机侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流控制信号给电机侧变流器426。在存在电机侧锁相环428的时候，第四坐标变换器425在对电网侧电流控制信号做相位变换时同时依据由电机侧锁相环428输出的相位参数。 

本实用新型的永磁直驱风电机组的仿真装置可以仿真实现以下功能:控制发电机与电网之间有功无功的交换、控制机组发出的有功功率追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限制风电机组出力。 

Claims (7)

1.一种永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，包括：

风力发电机组，风力发电机组包括桨距控制器、风力机、轴系控制器和永磁同步发电机，其中风力机具有风轮，桨距控制器调节风轮桨叶的角度，轴系控制器调节风轮输出轴转速，风力机驱动永磁同步发电机的转子；

全功率变流器，连接到永磁同步发电机，永磁同步发电机通过全功率变流器连接到电网。

2.如权利要求1所述的永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，所述全功率变流器是“有功-无功”型全功率变流器，该“有功-无功”型全功率变流器包括：

电网侧仿真设备，电网侧仿真设备包括功率测量器、电网侧有功控制器、电网侧电流测量器、第一坐标变换器、电网侧电流控制器、第二坐标变换器和电网侧变流器；功率测量器检测电网侧功率并输出功率参数给电网侧有功控制器，电网侧有功控制器基于功率参数产生电网侧有功控制参数输出给电网侧电流控制器，电网侧电流测量器检测电网侧电流并输出电网侧电流参数给第一坐标变换器，第一坐标变换器对电网侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流参数给电网侧电流控制器，电网侧电流控制器根据电网侧有功控制参数和经相位变换的电网侧电流参数产生电网侧电流控制信号并输出给第二坐标变换器，第二坐标变换器对电网侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流控制信号给电网侧变流器；

电机侧仿真设备，电机侧仿真设备包括电压测量器、电机侧有功控制器、电机侧电流测量器、第三坐标变换器、电机侧电流控制器、第四坐标变换器和电机侧变流器；电压测量器检测电机侧电压并输出电压参数给电机侧有功控制器，电机侧有功控制器基于电压参数产生电机侧有功控制参数输出给电机侧电流控制器，电机侧电流测量器检测电机侧电流并输出电机侧电流参数给第三坐标变换器，第三坐标变换器对电机侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流参数给电机侧电流控制器，电机网侧电流控制器根据电机侧有功控制参数和经相位变换的电机侧电流参数产生电机侧电流控制信号并输出给第四坐标变换器，第四坐标变换器对电机侧电流控制信号做相位 变换并输出经相位变换的电机侧电流控制信号给电机侧变流器。

3.如权利要求2所述的永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，所述电网侧仿真设备还包括：

最大功率***，最大功率***检测电网侧的最大功率并输出最大功率参数给电网侧有功控制器；

电网侧锁相环，电网侧锁相环检测电网侧电流的相位并将相位参数输出给第一坐标变换器和第二坐标变换器。

4.如权利要求2所述的永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，所述电机侧仿真设备还包括：

校准电压测量器，校准电压测量器检测电机侧的校准电压并输出校准电压参数数给电机侧有功控制器；

电机侧锁相环，电机侧锁相环检测电机侧电流的相位并将相位参数输出给第三坐标变换器和第四坐标变换器。

5.如权利要求1所述的永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，所述全功率变流器是“电压-无功”型全功率变流器，该“电压-无功”型全功率变流器包括：

电网侧仿真设备，电网侧仿真设备包括电网侧功率测量器、电网侧电压测量器、电网侧有功控制器、电网侧电流测量器、第一坐标变换器、电网侧电流控制器、第二坐标变换器和电网侧变流器；电网侧功率测量器检测电网侧功率并输出电网侧功率参数给电网侧有功控制器，电网侧电压测量器检测电网侧电压并输出电网侧电压参数给电网侧有功控制器，电网侧有功控制器基于电网侧功率参数和电网侧电压参数产生电网侧有功控制参数输出给电网侧电流控制器，电网侧电流测量器检测电网侧电流并输出电网侧电流参数给第一坐标变换器，第一坐标变换器对电网侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流参数给电网侧电流控制器，电网侧电流控制器根据电网侧有功控制参数和经相位变换的电网侧电流参数产生电网侧电流控制信号并输出给第二坐标变换器，第二坐标变换器对电网侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电网侧电流控制信号给电网侧变流器； 

电机侧仿真设备，电机侧仿真设备包括电机侧电压测量器、电机侧功率测量器、电机侧有功控制器、电机侧电流测量器、第三坐标变换器、电机侧电流控制器、第四坐标变换器和电机侧变流器；电机侧电压测量器检测电机侧电压并输出电机侧电压参数给电机侧有功控制器，电机侧功率测量器检测电机侧功率并输出电机侧功率参数给电机侧有功控制器，电机侧有功控制器基于电机侧电压参数和电机侧功率参数产生电机侧有功控制参数输出给电机侧电流控制器，电机侧电流测量器检测电机侧电流并输出电机侧电流参数给第三坐标变换器，第三坐标变换器对电机侧电流参数做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流参数给电机侧电流控制器，电机网侧电流控制器根据电机侧有功控制参数和经相位变换的电机侧电流参数产生电机侧电流控制信号并输出给第四坐标变换器，第四坐标变换器对电机侧电流控制信号做相位变换并输出经相位变换的电机侧电流控制信号给电机侧变流器。

6.如权利要求5所述的永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，所述电网侧仿真设备还包括：

保护器，保护器连接到电网侧电压测量器，保护器监测电网侧电压并进行保护；

电网侧锁相环，电网侧锁相环检测电网侧电流的相位并将相位参数输出给第一坐标变换器和第二坐标变换器。

7.如权利要求5所述的永磁直驱风电机组的仿真装置，其特征在于，所述电机侧仿真设备还包括：

最大功率***，最大功率***检测电机侧的最大功率并输出最大功率参数给电机侧有功控制器；

电机侧锁相环，电机侧锁相环检测电机侧电流的相位并将相位参数输出给第三坐标变换器和第四坐标变换器。 

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