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面向工业园区电压暂降治理的构网型储能逆变器控制策略研究.pdf

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资源描述

1、电压暂降会显著影响工业园区重要敏感负荷的经济运行,是现代制造业面临的主要电能质量问题。将构网型储能逆变器应用于含储能电池的工业园区中,根据工业园区并网点电压暂降深度的差异,提出了一套基于构网型储能逆变器的电压暂降分级治理策略。当电压暂降深度较低时,利用构网型储能逆变器的电压支撑能力降低或者消除电压暂降的影响;当电压暂降深度较高时,依靠构网型储能逆变器的孤岛运行能力维持负荷的正常运行,从而实现了对工业园区电压暂降的治理。最后搭建仿真模型进行验证,结果表明,构网型储能逆变器控制方案在相同工况下可以有效降低电压暂降深度,实现电压跌落的补偿。关键词:电压暂降;工业园区;构网型储能逆变器;分级治理;控制

2、策略中图分类号:TM72 文献标志码:A DOI:10.19421/ki.1006-6357.2023.08.005引文信息刘曼佳,凌在汛,熊亮雳,等面向工业园区电压暂降治理的构网型储能逆变器控制策略研究J 供用电,2023,40(8):34-42LIU Manjia,LING Zaixun,XIONG Liangli,et alResearch on the control strategy of grid-forming inverter for voltage sag control in industrial parksJ Distribution&Utilization,20

3、23,40(8):34-42基金项目:国家电网有限公司科技项目(5108-202218280A-2-311-XG)。Supported by State Grid Corporation of China(5108-202218280A-2-311-XG).0 引言电压暂降已成为现代工业用户面临的主要电能质量问题1-4。以高端制造业为代表的现代工业,其生产过程对电压暂降十分敏感,如全天候生产的半导体制造企业,设备一旦因电压暂降停机,将造成自动化生产流水线上产品全线报销或为残次品,造成巨大的经济损失5-7。现代工业园区涉及电压等级多、用电容量大、敏感设备多,其电压暂降防治问题不同于普通用户。近年

4、来,为了治理电压暂降,减少用户损失,供电方已采取了诸多措施8-10,安装电压暂降治理设备是敏感用户最常用的电压暂降治理技术11-13,其本质是提高供给用电设备的电能质量水平,可避免敏感用户生产过程的不正常运行甚至中断。针对电压暂降防治问题,国内外已经进行了多方面的研究。文献14研究了中压工业配电网的工业过程,基于IEEEStd.15642014对电压暂降所造成的负面影响进行了量化,定量分析了电压暂降与生产中断的关系,得到了用户中断和电压暂降严重程度之间的关联。文献15-16在用户侧采用动态电压恢复器(dynamic voltage restorer,DVR)对发生电压暂降的敏感负荷进行电压补偿

5、,但DVR较适用于380 V等低压场合,在10 kV及以上电压等级的中压场合造价较高17。文献18提出通过电网薄弱环节识别指标来确定电网线路改造的优先顺序,但电网侧改造只能减少故障发生次数却无法杜绝电压暂降的影响,并且有着改造成本高、实施困难的缺点。文献19利用静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)对局部电压进行支撑,将STATCOM和DVR配合使用,降低治理成本,但作为研究对象的负荷容量较小,并且补偿型设备的类型单一,没有考虑适用于不同电压等级的治理设备以及切换型设备,无法满足现代工业园区的治理需求。综上所述,目前大部分文献采用外加补偿

6、器的方法来解决电压暂降,在治理电压暂降的同时也带来了特别策划535供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月治理成本高的问题20。电池储能电站作为一种优质的调压资源,可以有效辅助电网的快速调压与动态无功支撑21,显著提高电网电压的调节能力和运行的灵活性。文献22将储能应用于电网调压与动态无功支撑的协调控制策略,以电网电压稳定条件为约束,以快速、精确地给电网提供无功支撑为目标,提出基础无功控制策略,进而提升了电网电压的调节能力。但传统的储能电站多采用跟网型控制策略,在对负荷进行电压支撑时会出现误差。文献23也指出采用PLL控制的并网

7、逆变器在出现电压暂降时,不具有电压支撑能力。因此,本文提出将构网型储能逆变器应用于工业园区,根据并网点的电压暂降情况采用分级控制方法,提升并网点电压。相比于传统的跟网型控制策略而言,构网型储能逆变器具有电压支撑能力,能在电压暂降时提供一定的无功以支撑电压。且当电压暂降过多时,采用构网型储能逆变器能够发出自身最大无功功率支撑电压。而当电压暂降长时间维持时,还可以切换控制策略使工业园区孤岛运行,保证工业园区并网点电压稳定性。1 工业园区电压暂降分析图1是具有储能电池的工业园区示意,工业园区的供电来自输电线路输送的电网电能,其内部包含了对电能质量比较敏感的重要负荷,工业园区的储能电池用于储存电能,还

8、可应用于辅助调压24。构网型储能逆变器用于将储能电池输出的直流电逆变为交流电接入工业园区并网点,为工业园区提供电能且可发挥其具有的电压支撑能力,X表示构网型储能逆变器到并网点的线路电抗。所示,若电网电压视为不变,则输电线路阻抗Z产生的压降会增大,因此会使得工业园区并网点处电压出现暂降的情况。工业园区并网点电压暂降的情况若得不到及时处理,可能会对工业园区的生产设备造成影响,进而影响产品的质量25。电网并网点重要敏感负荷输电线路储能电池构网型储能逆变器工业园区X交流电直流电图1 工业园区示意Fig.1 Schematic diagram of the industrial park电网的电能经输电

9、线路输送给工业园区的过程中,距工业园区远端的输电线路上可能会出现单相断路、两相短路等情况,导致输电线路上出现较大的短路电流Ik。工业园区并网点电压暂降分析示意如图2电网工业园区并网点短路故障ZIk+图2 工业园区并网点电压暂降分析示意Fig.2 Schematic diagram of voltage sag analysis in the parallel network of industrial park电压暂降深度是指暂降时电压有效值与额定电压有效值的比值,而工业园区并网点电压暂降的深度受输电线路上故障情况的影响,对于输电线路故障导致的工业园区并网点不同暂降深度的问题,需要采取不同的策

10、略。目前,大部分工业园区采用跟网型控制来输送储能电池的电能,其控制结构不具有电压支撑能力,在工业园区并网点出现电压暂降时无法保证工业园区重要敏感负荷的运行要求。因此,本文提出将构网型储能逆变器的相关策略加入工业园区以解决并网点电压暂降的治理问题。2 电压暂降分级治理方法2.1 整体治理策略针对不同的工业园区并网点电压暂降深度问题,构网型储能逆变器参与工业园区无功电压支撑的整体分级治理策略如图3所示。构网型储能逆变器结构中含有检测电压暂降深度的装置,其主要是根据工业园区并网点电压暂降时的有效值是否低于用户设定的临界有效值进而判断无功电压支撑的控制策略,具体的分级治理策略判断条件为:(1)式中:U

11、A为电压暂降深度检测装置检测的工业园区并网点电压有效值;Uset为用户设定的电压暂降临界有效值;tc为工业园区并网点电压暂降持续时间;tset为用户设定的暂降允许持续时间。特别策划536供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月当工业园区并网点电压暂降深度未低于用户设定的临界有效值时,采用一级控制策略,构网型储能逆变器依据其内部的控制结构中的无功电压控制发出无功功率支撑并网点电网;当工业园区并网点电压暂降深度低于用户设定的临界值时,由于并网点电压暂降较多,构网型储能逆变器仅依据其内部的控制结构无法更好地支撑工业园区并网点电压,且并

12、网点电压暂降较多时工业园区内部线路上可能出现较大的电流损坏电子器件,进而需采用二级治理策略,改变构网型储能逆变器控制结构发出最大无功功率支撑工业园区并网点电压。另外,当并网点电压暂降较多且持续时间较长超过用户设定的暂降允许持续时间,采用第二级控制策略也无法满足工业园区重要敏感负荷对电能质量的需求时,需采用三级治理策略,恢复构网型储能逆变器控制结构使工业园区脱离电网孤岛运行。2.2 一级治理策略当距工业园区远端输电线路发生故障且电压暂降检测装置未检测到工业园区并网点电压暂降低于用户设定的临界值时,电压暂降检测装置不触发结构改变信号,工业园区采用一级治理策略,如图4所示,主要包括了功率环控制、电压

13、电流内环控制和脉冲宽度调制(pluse width modulation,PWM)控制,线路滤波电感为L,滤波电容为C,线路电流为ILabc。此时,有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref参与功率环控制,且有功频率控制生成的相角用于参与采集并网点的电压Uoabc和电流Ioabc信息的坐标变换并送入电压电流内环控制,无功电压控制生成的电压幅值E用于内环电压控制的d轴电压参考值,内环电压控制q轴电压参考值给定为0。电压环控制生成的Idref、Iqref作为内环电流控制的d、q轴指令值,电流环生成用于控制PWM的调制波ed、eq。是否工业园区并网点电压暂降低于临界值?依据构网型储能逆变器无功电

14、压控制增发无功功率,支撑工业园区并网点电压改变构网型储能逆变器内部控制结构发出最大无功功率,支撑并网点电压工业园区并网点断开电网,恢复构网型储能逆变器控制结构暂降时间超过tset?否一级治理策略二级治理策略三级治理策略是图3 分级治理策略Fig.3 Block diagram of hierarchical control strategyPWM控制功率环控制构网型储能逆变器并网点电压电流采集结构控制电压电流坐标变换电压电流内环控制触发信号输电线路电网构网型储能逆变器有功频率控制无功电压控制电压暂降检测装置工业园区LILabcUoabcIoabcPrefQrefUAECIdrefIqrefed

15、eq0dqabc储能电池直流电电压控制电流控制图4 一级治理策略Fig.4 Primary control strategy处于一级治理策略时,构网型储能逆变器对工业园区并网点的电压支撑能力主要表现在其无功电压控制结构中,无功电压控制包含Q-U下垂控制和积分环节,其中Q-U下垂控制的表达式为:(2)式中:Qe为构网型储能逆变器输出的实际无功功率;Qn为构网型储能逆变器额定无功功率给定值;Kv为Q-U下垂系数;Un、U分别为工业园区并网点的额定电压特别策划537供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月幅值和实际电压幅值。根据式(2

16、),得到Q-U下垂曲线如图5所示。(3)式中:Upcck为工业园区电压暂降时并网点处的电压;X为构网型储能逆变器与工业园区并网点之间的线路的电抗值。根据式(3)知,当工业园区并网点电压暂降较多时,若储能电池可以发出式(3)的无功量,即可实现对工业园区并网点电压暂降的无功支撑,且可以根据暂降时工业园区并网点的电压有效值大小需求发送相应的无功功率。dq轴模式下的无功功率表达式为26:(4)式中:Qout为构网型储能逆变器输出的无功功率;Ud、Uq分别为电压d、q轴分量;Id、Iq分别为电流d、q轴分量。根据式(4),二级治理策略可采用将电流环指令切换为常数值,以抑制工业园区并网点电压暂降时导致过大

17、的电流,且可增大无功功率的输出进而支撑并网点电压。因此当电压暂降检测装置检测到工业园区并网点电压暂降低于用户设定的临界值时,电压暂降检测装置将发出结构改变触发信号,以改变构网型储能逆变器内部控制结构。工业园区并网点电压有效值需求可通过灵活的设定电流分量Id、Iq的大小来发送无功功率。但改变电流指令后,有功功率和无功功率实际值可能发生较大变化,引起相角和电压参考幅值变化,为保证切换控制策略后的稳定性,获取用于坐标变换的相角方式改为由PLL根据并网点电压信息得到。二级治理策略如图6所示,其包括了PLL控制、电流内环控制和PWM控制。在二级治理策略下,电流环控制信号为Idset、Iqset,电流环生

18、成用于控制PWM的调制波edPLL、eqPLL。超过设定的范围Q2Q0Q1QeUU1U0U2cabO图5 Q-U下垂曲线Fig.5 Q-U sag curve根据Q-U下垂曲线,可知工业园区并网点电压暂降会使构网型储能逆变器自动发送无功功率,进而在并网点电压暂降较少而采用一级治理策略时,无功电压下垂曲线可以抬升并网点电压水平,使系统稳定在一个新的平衡点。但当工业园区并网点电压暂降过多超过了Q-U下垂曲线的调压范围时,若继续采用一级治理策略,为维持工业园区并网点电压不变,较大的无功功率会导致出现较大的电流,从而损坏构网型储能逆变器。2.3 二级治理策略针对工业园区并网点电压暂降较多超过构网型储能

19、逆变器Q-U下垂控制的调压范围,且电压暂降检测装置检测到工业园区并网点电压暂降低于用户设定的临界值时,依据无功调压的原理,需继续增大无功功率以支撑并网点电压。工业园区并网点电压暂降时,构网型储能逆变器到工业园区并网点的无功功率表达式为:PWM控制构网型储能逆变器并网点电压电流采集电流控制结构控制电压电流坐标变换电流内环控制触发信号输电线路电压暂降检测装置UAPLL IdsetIqsetedPLLeqPLLdqabcPLLPLL控制电网工业园区构网型储能逆变器LILabcC储能电池直流电UoabcIoabc图6 二级治理策略Fig.6 Secondary control strategy特别策划

20、538供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月2.4 三级治理策略处于二级治理策略时,若电压暂降时间过长,可能影响工业园区重要敏感负荷的运行。电压暂降检测装置检测到采用二级治理策略且工业园区电压暂降持续时间超过用户设定的允许时间时,电压暂降装置将发出断开信号,使工业园区并网点断开输电线路,同时发出控制结构恢复信号,恢复为一级治理策略时所采用的构网型储能逆变器控制结构。此时,将进入三级治理策略,工业园区由储能电池经构网型储能逆变器为其供电,形成孤岛的供电形式,三级治理策略如图7所示。断开信号tctsetPWM控制功率环控制构网型储

21、能逆变器并网点电压电流采集结构控制电压电流坐标变换电压电流内环控制触发信号输电线路电网构网型储能逆变器有功频率控制无功电压控制电压暂降检测装置工业园区LILabcUoabcIoabcUAECIdrefIqrefedeq0dqabc储能电池直流电电压控制电流控制有功需求无功需求图7 三级治理策略Fig.7 Third control strategy构网型储能逆变器由于具有无功电压控制,其根据采集的并网点电压信息,采用下垂控制和积分控制等方法维持所输出的机端电压。因此孤岛运行时,构网型储能逆变器表现为一个电压源维持并网点电压27,消耗储能电池的电能并提供给工业园区负荷,并依据并网点的电压和电流信

22、息,自动发出工业园区负荷所需的有功功率和无功功率大小。孤岛运行示意如图8所示。恒定电压源构网型储能逆变器+E储能电池工业园区图8 孤岛运行示意Fig.8 Schematic diagram of island operation3 仿真验证为验证所提基于构网型储能逆变器的电压暂降分级治理策略的有效性,本文基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了1台有功功率为1 575 000 W的构网型储能逆变器控制策略,并利用电网电压的跌落模拟输电线路出现短路故障导致的并网点电压暂降的问题,仿真数据如表1所示。表1 仿真参数Table1 Simulation parameters参数数值直流侧电压U

23、dc1 500 V滤波电容C75 F滤波电感L90 H电网电压有效值380 V额定有功功率Pref1 575 000 W额定无功功率Qref315 000 var无功下垂系数Kv1 000 var/V暂降临界有效值Uset340 V为分析构网型储能逆变器在电压暂降支撑方面相比于跟网型控制的优越性,且验证一级治理策略的有效性。首先,令电网电压暂降为原来的92%,电网电压的有效值从原来的380 V变为349 V,此时UAUset认为电压暂降较少,未超过用户设定的电压暂降临界有效值,系统处于一级治理策略。电网电压暂降后,电网电压单相波形如图9所示,采用跟网型控制时工业园区并网点电压单相电压暂降波形如

24、图10所示,对应输出的无功功率波形如图11所示。特别策划539供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月分析图9、图10可知,当电网电压暂降时,电网电压暂降多少,采用跟网型控制的工业园区并网点电压就暂降多少,因此跟网型控制不具有电压支撑能力。且结合图11可知,跟网型控制由于其内部的电流环指令值不会改变,因此其输出的无功功率不会改变,进而无法补偿无功功率输出以支撑工业园区并网点电压。根据图9和图12可知,在构网型储能逆变器的控制结构下其工业园区并网点电压有效值跌落至368 V,相比于暂降前的工业园区并网点电压,其暂降为原来的96.8

25、%。结合图13可知,工业园区采用构网型储能逆变器时,当电网电压出现暂降的情况,构网型储能逆变器能根据其无功电压控制结构依照无功电压曲线自动发送适量的无功功率以支撑并网点电压。对于电压暂降时无功功率出现超调比较大的情况,主要是因为对于大功率的构网型储能逆变器而言,其惯量和阻尼系数比较大,因此工业园区并网点电压出现扰动时,其功率变化较缓慢。当工业园区并网点电压暂降过多时,如电网电压暂降至原来的75%,电网电压的有效值从原来的380 V变为285 V,此时UAtset时,需采用三级治理策略。本次仿真中设定tset=0.5 s,即在1.1 s时使工业园区脱网运行,工业园区负荷所需的有功功率为1 575

26、 000 W,所需无功功率为315 000 var。由二级治理策略切入三级治理策略时,工业园区并网点单相电压暂降波形如图17所示,输出的有功功率波形如图18所示,输出的无功功率波形如图19所示。0.50.60.70.80.91.0暂降开始暂降结束暂降前电压有效值为380 V暂降时电压有效值为285 V1.1时间/s2004006000200400600800电压/V图14 电网单相电压暂降25%波形Fig.14 25%waveform of single-phase voltage sag in the power grid根据图14和图15可知,电网电压暂降较多采用二级治理策略时,工业园区并

27、网点电压暂降时的有效值图15 二级治理策略构网型储能逆变器工业园区并网点单相电压暂降波形Fig.15 The secondary control strategy for constructing a grid-forming inverter industrial park grid connection point single-phase voltage sag waveform0.50.60.70.80.91.06004002000200400600800时间/s电压/V暂降开始暂降结束暂降前电压有效值为380 V暂降时电压有效值为354 V1.11.60.800.81.62.43.2

28、0.50.60.70.80.91.0时间/s暂降开始暂降结束1.1无功功率/Mvar暂降前无功功率为315 000 var暂降时无功功率为1 130 000 var图16 二级治理策略构网型储能逆变器输出的无功功率波形Fig.16 The reactive power waveform output by the grid-forming inverter with the secondary control strategy0.80.91.01.11.21.3进入三级治理策略二级治理策略电压有效值为354 V三级治理策略电压有效值为380 V1.4时间/s600400200020040060

29、0800电压/V图17 三级治理策略构网型储能逆变器工业园区并网点单相电压暂降波形Fig.17 The third control strategy for constructing a grid-forming inverter industrial park grid connection point single-phase voltage sag waveform图18 三级治理策略构网型储能逆变器输出的有功功率波形Fig.18 The active power waveform output by the grid-forming inverter with the third co

30、ntrol strategy00.51.01.52.02.5有功功率/MW进入三级治理策略输出有功功率为1 575 000 W0.80.91.01.11.21.31.4时间/s特别策划541供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 8 期2023 年 8 月根据图17、图18和图19可知,工业园区并网点电压暂降时间较长超过用户设定的暂降允许持续时间时,进入三级治理策略,工业园区脱离电网运行。构网型储能逆变器输出的有功功率和无功功率由工业园区负荷所需的有功和无功决定。且在工业园区孤岛运行模式下,构网型储能逆变器表现为电压源特性,其输出的电压有效值恒定为所给定

31、的工业园区并网点电压有效值。因此,从上述几组仿真验证中可知,构网型储能逆变器相比于跟网型控制具有电压支撑能力,其应用于工业园区提高了经济性。且所提的一级和二级电压暂降治理策略能针对不同的工业园区电压暂降情况提供合理的无功功率大小,进而更好地支撑工业园区并网点电压。而当工业园区并网点电压暂降时间持续过长时,还能使工业园区脱离电网孤岛运行。4 结语本文首先分析介绍了工业园区出现电压暂降的原因,并提出采用构网型储能逆变器代替传统的跟网型控制策略以在工业园区并网点电压暂降时支撑工业园区并网点电压。接着,针对工业园区并网点电压的不同暂降深度问题,在构网型储能逆变器控制策略中采用了电压暂降检测装置,进而提

32、出了一套基于构网型储能逆变器的电压暂降分级治理策略,并详细介绍了各级治理措施的实施方法。最后仿真验证表明,构网型储能逆变器相比于跟网型控制具有电压支撑能力,且所提出的电压暂降分级治理措施能够有效支撑并网点电压,保证工业园区重要敏感负荷的稳定性运行。参考文献1梁振锋,张清,宋国兵,等减小电压暂降深度及持续时间的单相重合闸时序方案J 电力系统自动化,2019,43(9):165-170LIANG Zhenfeng,ZHANG Qing,SONG Guobing,et alSingle-phase reclosing sequence for reducing voltage sag depth a

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44、SReview of dynamic voltage restorerJ Automation of Electric Power Systems,2007,31(9):101-10718 钟庆,林凌雪,易杨,等电压暂降评估指标():电网薄弱环节指标J 电力系统及其自动化学报,2012,24(1):110-114ZHONG Qing,LIN Lingxue,YI Yang,et alStudy on the evaluation index of voltage sags:unsubstantial location indexJ Proceedings of the Chinese Soci

45、ety of Universities,2012,24(1):110-11419 郑志宇,李雅倩,谢雪景,等基于全寿命周期成本的电压暂降治理设备综合配置规划J 电力系统保护与控制,2018,46(18):128-134ZHENG Zhiyu,LI Yaqian,XIE Xuejing,et alAllocation plan of voltage sags mitigation devices based on life cycle costJ Power System Protection and Control,2018,46(18):128-13420 汪颖,周杨,肖先勇,等电压暂降问题

46、研究现状及面临的挑战J 供用电,2018,35(2):2-9WANG Ying,ZHOU Yang,XIAO Xianyong,et alResearch status and challenges of voltage sag issueJ Distribution&Utilization,2018,35(2):2-921 贾学翠,李相俊,万君,等平抑电网大功率扰动的规模化电池储能系统控制方法J 电力建设,2020,41(6):69-76JIA Xuecui,LI Xiangjun,WAN Jun,et alControl method of large scale battery

47、energy storage system for suppressing the disturbance of power gridJ Electric Power Construction,2020,41(6):69-7622 黄际元,黄珂琪,杨俊,等储能参与电网调压与动态无功支撑的协调控制策略J 电器与能效管理技术,2020(10):77-83,89HUANG Jiyuan,HUANG Keqi,YANG Jun,et alCoordination control strategy of energy storage participating in grid voltage regul

48、ation and dynamic reactive power supportJ Low Voltage Apparatus,2020(10):77-83,8923 裴金鑫,姚骏,黄森,等电网短路故障下新能源并网变换器的暂态同步机制及其自适应稳定控制策略J 中国电机工程学报,2022,42(16):5922-5934PEI Jinxin,YAO Jun,HUANG Sen,et alTransient synchronization mechanism and adaptive stability control strategy for renewable energy grid-conn

49、ected converter under grid faultsJ Proceedings of the CSEE,2022,42(16):5922-593424 任志伟电网侧储能电站多功能运行控制关键技术研究D 杭州:浙江工业大学,202025 丁凯,郑剑,李伟,等基于用户侧储能的电压暂降分级治理方案及其经济性分析J 储能科学与技术,2022,11(10):3381-3390DING Kai,ZHENG Jian,LI Wei,et alHierarchical voltage sag mitigation scheme based on user-side energy storage systems and its economic analysisJ Energy Storage Science and Technology,2022,11(10):3381-339026 陈磊面向弱电网的虚拟同步发电机适应性控制研究D 镇江:江苏大学,202127 洪冬

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