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微电网你并网运行
摘要
微电网为新能源并网发电规模化应用提供了有效技术途径,微电网技术可以对分布式电源进行有效管理,降低分布式电源对大电网安全运行的影响,有助于实现分布式电源的“即插即用”,同时可以最大限度地利用可再生能源,符合我国新能源发电和可持续发展战略的要求。
随着微电网技术不断发展的新需求,微电网中微电源的协调控制、微网运行模式切换等诸多问题亟待解决,因此,本文将从微电网的控制系统角度进行研究,以实现微网技术的规模化应用。
首先,本文系统详细的阐述了微网主要的整体控制策略以及微电源逆变器接口侧的控制方法,并对各种控制策略的工作原理、适用范围以及优缺点进行分析;其次,提出了基于P-f/Q-V下垂控制的微网功率最优分散协调控制方法。
针对微电网功率分配因微电源到负荷线路的影响而分配不合理的问题进行了深入的研究;分析了传统P-f/Q-U下垂控制的缺点,给出了P-f/Q-V下垂控制方法,建立了微网的数学模型,通过部分输出量反馈最优分散协调控制方法,使微网在实现微电源功率合理分配的基础上,保证电压和频率处在正常范围内,仿真结果表明微电网在输出有功功率分配不受影响的前提下,输出无功功率的分配情况得到明显的优化,而且微网始终处于稳定运行状态。
最后,提出了将对等控制与主从控制相结合的控制策略。
针对微网运行模式转换时存在的问题,给出了符合我国国情的微电网运行模式转换的条件,通过分析对等控制以及主从控制在微网运行模式切换时的
优缺点,提出了将两者相结合的控制策略,并结合控制器状态跟随的平滑切换控制方法实现了微网运行模式的平滑、可控切换,减小了切换过程对微网的冲击,通过仿真实验验证了该控制策略的可行性。
关键词:
微网;功率分配;协调控制;并网运行模式;孤岛运行模式
目录
摘要
目录
第1章绪论
1.1课题研究背景
1.2微电网的研究现状与前景
1.2.1微电网的定义
1.2.2国内外微电网的研究现状与概况
1.3微电网运行控制研究现状与发展趋势
1.3.1系统控制层面
1.3.2分布式电源控制层面
1.3.3微电网运行层面
1.4本文所做的工作
第2章微电网内分布式电源仿真建模与特性分析
2.1光伏发电系统建模及仿真
2.1.1光伏电池数学模型
2.1.2光伏电池建模与特性
2.1.3MPPT最大功率点跟踪原理与建模
2.1.4光伏Boost升压控制器
2.1.5光伏发电系统特性分析
2.2微型燃气轮机发电系统建模及仿真
2.2.1微型燃气轮机系统结构
2.2.2永磁同步发电机模型
2.2.3微型燃气轮机的整流器的控制
2.2.4微型燃气轮机特性仿真
2.3蓄电池模型
2.3.1蓄电池通用模型
2.3.2蓄电池双向DC仍C变换器
2.3.3蓄电池系统充放电仿真分析
2.4本章小结
第1章绪论
1.1课题研究背景
能源与工业生产、交通运输、国防建设以及人类的日常生活各方面息息相关,在社会发展的进程中扮演着至关重要的角色。
尤其是近年来,随着全球经济的飞速发展,现代社会的生产方式和生活方式使人类对能源的需求量越来越大。
然而,对能源的过渡依赖导致了传统化石能源的日益枯竭,经济高速增长的同时带来了日益严重的环境恶化问题,例如最近对我国北方地区影响很大的“雾霆”现象,以及各种自然灾害,己经开始威胁人类的生存环境。
为应对这一系列的负面效应,世界各国政府都对能源政策做出了积极调整,要求加快对新能源的开发特别是清洁可再生能源的研究利用,并提高可再生能源发电所占的比重。
在这种背景下,分布式发电(DistributedGeneration,DG)受到了广泛的关注,常见的DG主要包括光伏发电、风力发电、微燃机、燃料电池等。
分布式发电与传统发电方式相比,具有污染小、成本低、安装运行方便等优点,而且分布式发电系统可以就近供电,减少线路损耗;还可以降低温室气体排放,减少环境污染,为社会提供清洁能源,实现低碳经济。
尽管分布式发电优势很明显,但是分布式发电输出功率的波动性、随机性、间歇性等特点,也给大电网带来许多问题,例如大规模的分布式电源并网时,会对大电网的电能质量以及电网安全可靠性造成很大的影响。
为了解决上述问题,充分发挥分布式发电的优势,克服分布式发电对大电网造成的不良影响,提高电力系统运行的灵活可控性,微网(Microgrid)的概念应运而生。
微网是一种由微电源(Microsources,即:
微网中的分布式电源)、储能装置、能量装换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的小型发配电系统,是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统微网作为一个子系统与大电网相连,通过灵活的控制方式内部解决分布式电源直接并网产生的负面问题,相对于主电网来说,该子系统是可控的。
微网技术提高了电力系统运行的安全性、可靠性,为分布式电源发电规模化应用提供了新的有效技术途径。
微网已经成为电气工程研究领域的最新的热门课题之一,受到了世界各国越来越多的关注。
但是微网技术仍然存在许多问题亟待解决。
在微网中,微电源主要通过电力电子接口并入微网系统,这导致微电源的输出特性与传统发电机有很多的迥异,为保证微电源与微网之间,以及微网与主电网之间功率传输的稳定、可控,对微网协调控制策略进行深入研究具有重要的意义。
而如何控制微网中的各个微电源在线路阻抗的影响下对功率进行合理分配且使微网的电压和频率运行在正常范围内;如何实现微网运行模式的平滑、可控的切换是保证微网能够安全、稳定运行的重要条件。
1.2微电网的研究现状与前景
1.2.1微电网的定义
为了更充分地发挥DG的价值与效益,国内外学者在广泛研究DG运行控制的基础上提出了一个新的概念——微电网(Micro.Grid,MG)。
美国方案联合会(CERTS)对微电网的定义为:
微电网是一种由负荷和分布式电源共同组成的系统,它可以向用户提供电能和热能;微电网内的电源主要由电力电子器件负责能量的转换,并提供必要的控制;微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可以满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。
欧盟对微电网的定义是:
微电网是一种连接到低压配电网的小型电力系统,可以充分利用一次能源,将模块化的小型分布式电源互联,提供冷、热、电联供,并配有储能装置,使用电力电子装置进行能量调节。
日本则在发电容量等级上对微电网进行分类,将微电网分为大规模(1000MW等级)、中规模(1OOMW等级)、和小规模(1OMW等级)三类,其分别应用于工业区,可再生能源工业区以及住宅楼、岛屿和偏远地区等小型区域电网。
1.2.2国内外徼电网的研究现状与概况
国外发达国家和地区对微网率先进行了研究,提出了一种含多个分布式电源(DG)的微网能量管理系统,通过建立一个多DG的微网系统的小信号动态模型,系统地评价了微网的稳定性。
针对微网的动态稳定性问题提出了评价指标和基于神经网络的评价方法,并针对微网的不安全运行状态提出了治理措施。
对不同运行方式下的微网控制进行了研究,提出了保持微网运行稳定性的方法。
目前美国“通用电气(GeneralElectricCompany,GE)全球研究(GlobalResearch)"计划旨在研发出一种全新的微电网能量管理系统(MicrogridEnergyManagementMEM),该系统不仅能够为微电网中各种装置提供完整的保护和控制,而且可以对内部能量进行统一管理和调度。
这项计划解决了微电网中多个分布式电源之间以及分布式电源与互联元件之间的协调控制矛盾,最终满足用户负荷提出的各种需求。
美国更重视配电侧和用电侧,重点发展具有商业前景的模式,进一步研究和实现分布式发电与电力储能技术,并最终发展为高温超导电网欧盟分别通过了第五框架、第六框架和第七框架研究计划,并投资了Microgrids项目和MoreMicrogrids项目。
Microgrids项目主要研究对象是微电网中央控制器、黑启动控制和继电保护方案,以及如何对分布式电源建模怎样实现并/离网的无缝切换等。
MoreMicrogrids0项目研究集中体现在如下几个方面:
1)多个微电网与配电网相连时需要采用的控制策略,以及各微电网间能量协调管理方案;
2)系统继电保护方案和经济调度解决方案以及协调控制方案;
3)微电网对配电网内部用电负荷的影响等内容。
4)微网在孤岛模式下运行下电压和频率会随着功率的波动而改变
近年来,可再生能源和新能源一直备受口本电力行业的关注,其被重视程度要超过其他国家。
为此,新能源与工业技术发展组织伽ewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganizationNEDO)开发重点放在了可再生能源的发电出力预测、储能元件技术以及传统发电系统与储能装置配合工作的控制系统研究。
同时因为属于岛国,日本格外重视微电网孤岛自治运行技术研究和示范工程建设。
通过总结可以看出,因各国自身能源构造、经济模式和电力发展方向的不同,其微电网研发重点和发展目标也略有不同。
虽然我国微电网项目的研究相比西方国家来说较晚,但国家863项目、973项目、国家自然基金项目等大型科学科研政策的导向性支持,目前,国内电力企业、众多高校和科研机构逐步投入大量人力、物力和财力来资助微电网相关技术的研究,主要是在示范项目和实验室层面上对微电网的控制、运行及稳定性进行了研究。
1)国家风光储输示范工程。
该工程整合了风电、光伏发电、储能及输电工程四位于一体,并首创了世界第一套风光储输技术,并实现了对新能源的可预测、可控制和可调度。
2)国家进一步研究微电网通过公共耦合点与大电网相连接,在公共耦合点处设一个主接口,通常由微电网并网控制开关——固态断路器或背靠背式的AC/DC/AC电力电子换流器构成
3)在实际工程方面,国家电网公司建设的河南财专微电网示范工程,作为国内第一个正式投入运行的微电网试点项目,取得了良好的运行业绩和社会效益;
4)浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡化综合系统,安装7台单机容量30kW的风力发电机组、100kWp的光伏发电系统及一套50t/d海水淡化系统,总装机容量300kW,并装
设有蓄电池组进行调节,是目前国内最大的离网型综合微电网系统。
1.3微电网运行控制研究现状与发展趋势
1.3.1系统控制层面
目前针对微电网的运行控制,国内外研究人员主要提出了三种控制方式:
主从控制、基于多代理系统的分布式控制和对等控制。
i)主从控制,首先通过中央控制器(MicroGridCentralController,MGCC)对布式电源的发电功率和负荷需求进行预测,制定相应的运行计划;然后检测系统中各种电气量对运行计划进行实时调整,借助通信统一控制“从属”DG和可控负荷的启停和输出来维持系统的功率平衡,使电压频率稳定在额定值。
主从控制是一种常规的控制方式,研究和应用的比较多。
如文献介绍了一种典型的微电网主从控制方案,该方案通过MGCC优化各DG的发电量以及与配电网的交换功率,并考虑到市场政策以实现微电网的经济运行;又如文献介绍了一种采用TB.MGⅧG结构的含多种能源发电的微电网实验平台,包括发电单元物理系统的电气集成、基于IEC61970的能量管理系统信息集成,以及能量控制与管理策略等。
ii)分布式控制,即采用基于多代理系统(Multi.AgentSystem,MAS)的思想,将微电网及所属配电网划分为不同层次,在每层设置相应的代理(Agent),利用多个分布代理之间的协作,解决微电网运行控制和能量优化等多方面的问题。
分布式控制要求DG及可控负荷在搜集本地信息并与同层、上层代理交互信息的基础上进行就地决策,
实现相对复杂。
文献提出了一种基于多代理系统的微电网框架,建立了由微电网控制代理、局部控制代理、分布式能源代理及负荷代理组成的多代理控制系统。
iii)对等控制,微电网中各分布式电源具有相等的地位,即没有一个单元像MGCC或中央代理(MicroGridCentralAgent,MGCA)那样对微电网有着特别重要的作用,各DG按照预先设定的功率调节方案根据本地信息自主控制。
相关研究表明这三种控制方式都存在一定弊端:
主从和分布式控制对MGCC和通信网络的依赖较大,一旦上述设备出现故障,系统很难维持正常运行;由于实时性的原因,基于多代理系统的分布式控制目前只适用于能量管理和协调市场交易,对电压和频率进行实时调节还比较困难;此外,当设备数目较多或位置分散时,主从和分布式控制的投资大,强耦合的控制方式还可能带来设备的兼容性问题。
对等控制对通信要求不高,理论上可以提高微电网的可靠性,同时降低系统成本并实现即插即用,但该方法仅采用本地电量进行控制,当系统运行模式切换、或发生功率突变、故障等大扰动时,对等控制很难在第一时间做出统筹全局的响应,导致暂态过渡时间长、系统运行的稳定性、合理性和经济性下降等。
因此,主从、分布式和对等控制在实际应用中都存在若干问题亟待攻克和进一步优化的空间。
此外,目前研究还存在如下局限:
1、主从控制虽然可以实现电压频率的无差控制,但对主控单元有很强的依赖性,且目前对主控单元的选择并未达成共识。
2、分层分布式的控制方式给系统安全运行带来了一定隐患,主要是因其需要充分依赖通信网络而引起的,例如:
若通信过程中产生错误的传输数据,将可能影响各层控制器做出错误的决策结果;若通信网络发生断路等故障,将会很大程度地影响微电网的正常运行,使其面临能否可靠供电的危机;此外,高性能的通信网络成本较高,会增加微电网的建设和运行成本,限制了微电网的应用范围。
3、对等控制具有冗余性、即插即用等优点,但未考虑如何将电压频率恢复到额定,属于有差控制,且存在鲁棒性差等问题。
4、如何选择合适的控制方式,即在综合分析微电网结构、经济性、安全性、稳定性及对电能质量要求的前提下选择合适的控制方式,如有些微电网要求电压和频率保持在额定值,则适宜选择主从控制;以及在一个复杂微电网中,可能存在两种或三种控制方式并存的情况,如何协调不同的控制方式?
相关研究尚未开展。
1.3.2分布式电源控制层
根据并网接口方式,微电网中的分布式电源可分为逆变型、小型同步发电机和异步发电机等,其中逆变型是最主要的接口方式,包括小型风机、光伏、燃料电池和微型燃气轮机等。
目前,逆变型电源的并网控制方法主要有PQ控制、v/f控制和下垂(反下垂)控制三种。
i)PQ控制,依照功率指令或执行最大功率跟踪,输出给定的有功和无功。
ii)v/f控制,即恒压恒频控制,根据负载功率的变化调节输出功率,将电压频率稳定在额定值。
iii)下垂(Droop)控制,依照特定的下垂曲线,根据负载功率的变化调节输出频率和电压,实现负载功率的分配;反下垂(Anti-Droop)控制,依照特定的反下垂曲线,根据系统频率和电压的偏差调节输出有功和无功,将频率电压稳定在额定值并实现负载功率的分配,反下垂控制实际上是一种特殊的PQ控制。
目前对于PQ与v/f控制机理研究较为成熟,对于下垂控制,国内外研究的较为深入:
1)文献对下垂控制在中低压电网和高压电网中的差异性进行了
提出了改进方法,如文献综合考虑了R/X的差异以及不同下垂斜率对系统稳定性的影响。
针对传统下垂曲线只在线路呈感性时实现p-f/Q-y解耦控制,若线路呈阻性或者阻感性时,需要对下垂曲线进行重新设计:
设计了新的下垂曲线,如P-V/Q-δ、G-H、ΔP-ΔV/ΔQ-Δf、FL-f/Q-V、P-δ/Q-V、I-V等。
2)逆变器并联时,最主要的问题是解决由于逆变器输出阻抗以及与公共连接点的线路阻抗存在差异所造成的环流问题。
文献在功率下垂解耦控制的方法中引入下垂系数修正环节,减弱了线路阻抗差异对并联均流的影响;文献则通过在下垂控制中引入虚拟阻抗环,抑制了多台DG并联所造成的环流。
虽然国内外已经开展了较多研究,但仔细分析,微电网中逆变型电源的并网控制方法目前仍存在以下问题:
1、下垂(反下垂)控制的机理仍有待于进一步深入研究目前的研究重点关注了低压线路参数对传统下垂控制的影响及改进方法,包括设计新的下垂关系(如P—V/Q-f)、在下垂控制中加入微分项、为逆变器设计辅助控制器以及调整逆变器参考电压的d轴分量等,但关于不同DG特性和可控程度的差异性对下垂(反下垂)控制的影响及改进方法的研究不足。
有些文献提出了在线修正逆变器控制参数(如下垂曲线)的设想,但要真正实现还需要解决很多具体问题。
如在对等控制方式下何时、如何调整需要由DG自己来决定,DG不仅要能感知系统运行状态的变化,当有多台DG参与下垂(反下垂)控制时还要能预测其它DG同时控制可能带来的影响。
2、一些特定用途或特定场景的并网控制方法还需要进一步研究,例如能够实现微电网运行模式(并网-孤岛)无缝切换的DG控制方法,DG自身不同控制方法、参数的平滑过渡,以及将DG与可控负荷纳入统一控制等。
3、发电控制的约束条件和目标较为单一。
微电网除了需要有功、无功、频率、电压、电能质量等满足要求外,还需要计及更多的约束条件和控制目标,例如机组的爬坡速率、发电成本、电池的充放电寿命等。
这些约束条件和控制目标可以由微电网的能量管理系统进行统一的全局优化,DG也应该能够根据自身运行状况进行一些本地决策,
后者对于能量管理系统或通信系统发生故障后,微电网保持合理运行具有现实意义,但相关研究尚未开展。
1.3.3微电网运行层面
(a)微电网并网运行
并网运行控制是微电网在并网运行状态下对整个系统的综合控制和协调,如:
自动频率控制、自动电压控制、自动稳定控制、黑启动等。
并网运行时,微电网内的功率缺额由主配电网进行平衡,频率的控制和电压的调整也由主配电网完成,DG逆变器一般采用PQ控制或者执行MPPT功能,输出中央控制器指定的有功功率和无功。
(b)微电网孤岛运行
孤岛运行控制是微电网在孤岛运行状态下,为了维持系统自身稳定运行对分布式电源的控制,如根据指令调节潮流和接口电压、快速分担各自的负荷等,主要由各分布式电源的控制器负责完成。
孤岛运行时,为保证对重要负荷的可靠供电,微电网内必须有一台或数台DG作为主控单元,为微电网提供有力的电压和频率支撑,并能跟踪负荷的变化。
目前,可以选择储能或者旋转电机(微型燃气轮机、柴油机等)作为主控单元,并采用单机v/f控制或者多机下垂控制策略来维持微电网电压和频率水平。
(c)微电网并离网切换
由于主网故障或电能质量等原因,微电网需要快速与主配网断开,为了能快速检测出孤岛,国内外许多专家学者提出了多种孤岛检测方法,大体可分为两类:
被动式孤岛检测和主动式孤岛检测。
利用孤岛检测技术,可以“通知”微电网内相关电源切换控制策略,从而完成微电网从并网向孤岛运行的转换。
当主网恢复正常运行时,需将微电网并入主网。
为避免并网过程中的巨大的暂态冲击,必须对微电网进行同期处理,使其与主网的电压、频率、相角误差在允许范围内。
同期完成,微电网与主网相连,可控DG转换为有功和无功功率控制,并对微电网内负荷进行供电。
并离网切换过程中,主控DG的逆变侧至少需要存在两种控制策略,常见的有Droop十PQ和v/f+PQ控制策略。
文献介绍了一种基于LCL的滤波器三环控制策略的储能电压源型功率变换器,可以实现微电网并离网切换时形控制和PQ控制的无缝转换。
总之,微电网内含有多种能源输入和多种产品输出,采用多种能源转换单元,是一种具有多时间尺度和强耦合特征的复杂系统,加之系统运行模式和间歇性电源出力的不确定性,造成了微电网运行控制的对象和约束条件多样、控制策略错综复杂,尚缺乏成熟的理论和方法。
所以,无论是系统还是电源层面的微电网运行控制都存在改进和进一步优化的需求和空间。
1.4本文所做工作
本文从研究微电网中几种常见的DG的发电原理、结构特性以及并网特点,对光伏、蓄电池、微型燃气轮机等分布式电源建立了详细的电磁仿真模型,并研究了其并网控制策略。
在此基础上,本文从DG逆变控制技术的优化、DG之间的协调配合以及DG与负荷之间的协调配合的三个方面对微电网内协调控制策略进行了深入研究与分析,本文研究内容可以分为以下六章:
第一章:
绪论部分主要介绍了课题的研究背景、微电网国内外的研究现状以及微电网运行控制在系统控制层面、分布式电源控制层面以及微电网运行层面的研究现状与发展趋势。
第二章:
本章详细介绍了微电网中光伏系统、微型燃气轮机发电系统以及蓄电池三种分布式电源的原理和拓扑结构,在此基础上,利用PSCAD/EMTDC软件搭建了光伏电池、微型燃气轮机以及蓄电池仿真模型,仿真结果表明本文中采用的微电源能够反应实际工程中的光伏、微型燃气轮机以及蓄电池的功率输出特性。
第三章:
本章首先对微电网中逆变器控制策略进行研究分析,从理论上对PQ控制、v/f控制、下垂控制进行了推导和仿真分析,验证了三种控制方法的有效性。
在此基础上,对DG自身控制方法进行了优化研究:
1、并离网切换过程中基于LCL滤波器的v/f控制和PQ控制的无缝切换技术;2、在下垂控制结构中通过平移下垂曲线的二次调频技术;3、DG并网时基于改进下垂控制的预同步技术。
最后,本章利用PSCAD/EMTDC搭建了基于光伏电池和蓄电池储能的微电网仿真平台,以验证微电源模型和本章控制策的可行性。
第四章:
本章主要对分布式电源之间的协调配合进行了研究,提出了一种微电网内基于快速储能投退机制的多源协调控制策略,即通过响应速度快、但容量较小的快速储能与容量较大、但需要一定启动时间的后备分布式电源之间不依赖于通信的协调控制,目的是实现分布式电源在微电网进入孤岛过程中的主动控制以及孤岛模式下的自治运行。
第五章:
本章主要对分布式电源与可中断负荷在低频减载方面的协调控制进行了研究,在传统低频减载方法和自适应低频减载方法的基础上,提出基于功率变化率的低频减载策略和可中断负荷负荷“镜像下垂”控制策略,通过理论推导和仿真分析,验证了上述几种减载策略的有效性。
第六章:
本章对全文进行总结,主要分析了研究不足和以后工作方向。
第2章微电网内分布式电源仿真建模与特性分析
微电源是指微电网中的分布式发电、分布式储能装置以及能量变换装置(即逆变器)。
微电源可分为两大类:
1)传统旋转电机,如水力发电、小型柴油发电机、内燃机、太阳热发电、地热发电、潮汐能发电、生物质能发电等;
2)电力电子型电源(通过电力电子接口与电网联接的电源),也称为逆变电源。
逆变电源又分两种:
一种是直流逆变电源,如燃料电池、光伏发电,储能系统(蓄电池储能、飞轮储能等);另一种为高频交流逆变电源,如微型燃气轮机、风力发电,必须进行整流,得到的直流电压通过逆变器转换成交流电压。
未来的微电源可能大量采用逆变
电源,其电压的调节和控制方式与常规方式会有很大不同,需要相应的控制策略和手段与其配合。
分布式能源发电的形式多种多样,其运行特性各不相同。
因此,对微电源的建模分析与研究,是对微电网系统进行有效的投资规划和运行控制的基础。
2.1光伏发电系统建模及仿真
光伏电池(Photovoltaiccells,PV)发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能的发电技术。
2.1.1光伏电池数学模型
常用的光伏电池等值模型如图2-1所示。
该模型既考虑了电池内部的并联电阻,又考虑了串联电阻的影响,其精确度更好,在工程应用最多。
图2-1中电流Iph为光生电流,Id为暗电流;Rse表示串联等效电阻;Rsh表示并联等效电阻,Ish为漏电流。
当光照射在电池上,就会产生光生电流Iph,当电路闭合时,光生电流流经负荷RSCR,并产生端电压U。
同时会在PN结上产生偏置电压,产生暗电流Id。
暗电流反映了PN结所产生的扩散电流的变化情况。
Rse反映了由于电池本身的电阻率而产生的损耗。
并联电阻反映了由于电池本身出现破损而造成的短路现象,Ish表示短路造成的漏电流的大小。
Rsh与Rse相比,
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