風(fēng)電對電網(wǎng)的影響及無功補(bǔ)償?shù)难芯?/h1>
2016-10-19 07:41:49咸紅超
山東工業(yè)技術(shù) 2016年19期
咸紅超
（國華（通遼）風(fēng)電有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）
風(fēng)電對電網(wǎng)的影響及無功補(bǔ)償?shù)难芯?/p>
咸紅超
（國華（通遼）風(fēng)電有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）
風(fēng)電接入電網(wǎng)之后，由于多種因素影響，對電壓穩(wěn)定性影響較大，這主要體現(xiàn)在以下幾方面，比如運(yùn)行方式、風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)控制等，這些因素都會(huì)影響電壓穩(wěn)定性。文章針對風(fēng)電連入電網(wǎng)之后出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定問題進(jìn)行分析，并制定無功補(bǔ)償方案。
風(fēng)電；電網(wǎng)影響；無功補(bǔ)償；研究
1 風(fēng)電接入電網(wǎng)影響因素分析
1.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式
對于電力系統(tǒng)而言，其運(yùn)行方式可以分析以下三種，分別是正常運(yùn)行方式、事故運(yùn)行方式、特殊運(yùn)行方式。而針對正常運(yùn)行方式，它還可以依據(jù)時(shí)域進(jìn)行劃分，運(yùn)行方式主要有年、季度、日，這其中每種運(yùn)行方式又可以細(xì)分為兩種，其一是大負(fù)荷方式，其二是小負(fù)荷方式。不同運(yùn)行方式運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)負(fù)荷能力存在差異，同時(shí)開機(jī)方式也不同，因此在風(fēng)電輸出功率方面也存在差異性，在功率波動(dòng)時(shí)，線路潮流差距極大，這也直接導(dǎo)致了線路阻抗壓降存在差異性。就某市某電網(wǎng)而言，存在四個(gè)典型運(yùn)行方式，分別是夏大、夏小、冬大、冬小。在進(jìn)行分析時(shí)，如果Α地東南風(fēng)電機(jī)組，其恒功率因素控制，而且其功率因數(shù)是1.0，針對風(fēng)電機(jī)組而言，其出力同時(shí)率為0.78，對于C地風(fēng)電出力而言，其需要依據(jù)最大力考慮，同時(shí)還需考慮風(fēng)電場，其接入系統(tǒng)的330kV變壓器，側(cè)裝35kV，設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。此外，針對風(fēng)電而言，其出力發(fā)生變化時(shí)，以下方面保持不變，如低壓無償功能、機(jī)組開/停機(jī)方式等。
1.2 風(fēng)電機(jī)組類型
對于不同風(fēng)電機(jī)組而言，其對電壓穩(wěn)定性影響程度不同，尤其是針對靜壓系統(tǒng)。就目前而言，主要的風(fēng)電機(jī)組類型有兩種：其一是定速風(fēng)機(jī)，其二是變速風(fēng)機(jī)。對于定速風(fēng)機(jī)而言，它主要借助籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其在向電網(wǎng)傳送功率時(shí)，電網(wǎng)必須對其提供相關(guān)元素，即無功功率，兩者存在著某種關(guān)聯(lián)性，針對風(fēng)機(jī)傳送而言，其輸出功率越多，則需要同等量的無功功率，一旦接入電網(wǎng)較弱，將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，如電壓波動(dòng)較大；而對于變速風(fēng)機(jī)而言，其逆變器和電網(wǎng)相通，通過調(diào)節(jié)某個(gè)部位，如轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器，使其觸發(fā)角發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)以下功能的調(diào)節(jié)，即定子輸出功率，這樣在某種程度上促使其與發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)性加強(qiáng)，具備電壓調(diào)節(jié)能力。此外，對風(fēng)電機(jī)組的有效控制，變速風(fēng)機(jī)能夠發(fā)揮最大功能，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是有功功率，其二是無功功率，實(shí)現(xiàn)解耦控制，這不僅對風(fēng)電場非常有益，而且對電網(wǎng)也極為有利，兩者之間可以進(jìn)行無功切換。
2 無功補(bǔ)償方案研究
無功需求分析電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，無功功率必須要維持平衡，所謂無功功率平衡，這主要體現(xiàn)無功功率電源，它發(fā)出的無功功率，其與無功功率負(fù)荷、無功功率損耗，它們之間的平衡。對于電力系統(tǒng)而言，無功功率平衡非常重要，它關(guān)系到電壓水平，確保其能夠維持在正常的運(yùn)行狀態(tài)。無功需求分析是一項(xiàng)極為關(guān)鍵的任務(wù)，只有進(jìn)行有效分析才能擬定無功補(bǔ)償方案，針對無功需求分析而言，它主要涵蓋兩個(gè)方面，分別是榮性和感性兩方面。對于容性無功補(bǔ)償，其容量確定需要依據(jù)如下元素，比如主變無功損耗、線路無功缺額，以上述內(nèi)容作為依據(jù)確定容量；而對于感性無功需求，它需要按照相關(guān)原則進(jìn)行平衡，即100%補(bǔ)償線路功率。對于變電站而言，其在以下方面要引起注意，如低壓電容、電抗補(bǔ)償，這兩者的容量不得高于主變?nèi)萘?0%；針對輸電線路而言，其所需無功補(bǔ)償，主要體現(xiàn)在線路兩端配置，各增加50%。開展無功需求分析時(shí)，還需考慮如下原則：（1）對于電力系統(tǒng)而言，其在進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)，滿足無功功率如下要求，如分層分區(qū)平衡、就地補(bǔ)償原則；（2）故障方式下，滿足如下要求，即動(dòng)態(tài)無功平衡、快速無功調(diào)節(jié)。
無功補(bǔ)償量分析。一般情況下，對于發(fā)電機(jī)而言，其無功出力能夠滿足如下需求，即就地平衡補(bǔ)償，正因?yàn)槿绱?，只需對以下兩方面進(jìn)行無功補(bǔ)償，分別是變電站、負(fù)荷，以此滿足無功就地平衡。對于變電站而言，其無功補(bǔ)償涵蓋兩方面，其一是輸電線路，其二是變壓器。電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于其運(yùn)行方式的不同，其補(bǔ)償所需容量也存在差異性，存在最大值Qcmax，還存在最小值Qcmin，也就是在無償補(bǔ)償容量中，出現(xiàn)的上下限值。針對無功補(bǔ)償而言，其在配置過程中需要依據(jù)相關(guān)原則，并對無功需求進(jìn)行有效分析，進(jìn)而獲得計(jì)算結(jié)果。
無功補(bǔ)償SVC的研究。SVC的顯著特點(diǎn)是能快速，連續(xù)地對波動(dòng)性負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，有效的抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變，同時(shí)濾除系統(tǒng)中的高次諧波，并通過分相調(diào)整改善系統(tǒng)的三相平衡。其工作原理簡述如圖1。
圖1（a）為TCR+FC型靜止補(bǔ)償裝置運(yùn)行原理圖，圖1（b）說明其動(dòng)態(tài)無功平衡過程。圖1（a）中FC回路的C為固定值，所以超前的無功功率QL（圖1（b）中虛線所示），使SVC總的無功輸出QZ=QC-QL發(fā)生變化。當(dāng)負(fù)荷QF增大時(shí)，TCR產(chǎn)生的無功功率QL減少；當(dāng)負(fù)載QF減小時(shí)，TCR產(chǎn)生的無功功率QL增加。即不管負(fù)載的無功功率變化，總要使有系統(tǒng)共給的無功功率QS=QF+QL-QC近似等于常數(shù)，以抑制負(fù)載波動(dòng)所造成的系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。
SVC中的可控部分（TCR）由可控硅閥和空心線性電抗器組成?？煽毓璧挠|發(fā)角可在90°-180°范圍內(nèi)變化，使TCR的無功功率QL從100%變化到0。TCR的觸發(fā)角和導(dǎo)通角之間的關(guān)系式（1）所示。
式中：
σ—可控硅導(dǎo)通角；
Α—可控硅觸發(fā)角
TCR幾波電流有效值為：
式中：U—系統(tǒng)基波電壓；
X1—電抗器電抗值
導(dǎo)通角與等效電納之間是非線性關(guān)系，通常在觸發(fā)回路中插入線性化校正環(huán)節(jié)，以補(bǔ)償導(dǎo)通角與等效電納之間的非線性。SVC的伏安特性如圖2所示。
如前所述，SVC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康厥菫榱艘种齐妷翰▌?dòng)和閃變，從圖2可以清楚的看出SVC對電壓波動(dòng)的抑制作用。ΑB為SVC伏安特性的可控區(qū)，在感性負(fù)載下，系統(tǒng)正常工作時(shí)的負(fù)載特性如直線11所示，二者的交點(diǎn)L為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓。在SVC可控區(qū)ΑB上，L點(diǎn)對應(yīng)的可控硅導(dǎo)通角為σ1，因此L點(diǎn)也可以看成導(dǎo)通角為σ1時(shí)SVC等效電抗伏安特性0F與系統(tǒng)負(fù)載線11的交點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化，造成系統(tǒng)負(fù)載線突然從11上升至12，使電壓升高至K點(diǎn)時(shí)，SVC將調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角為σK，其等效電抗伏安特性為0G，與負(fù)載線12交于M點(diǎn)，此時(shí)SVC提供滯后無功電流IL（在SVC伏安特性的第一象限）在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生電壓降，抑制負(fù)載變化造成的電壓波動(dòng)，以保持供電電壓不遠(yuǎn)離正常值。同理，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化使電壓降低時(shí)，SVC將提供的超前無功電流IC（在SVC伏安特性的第二象限），抑制其造成的電壓波動(dòng)。對于負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)序分量，根據(jù)Steinmetz原理（兩相無功平衡一相有功），SVC的調(diào)節(jié)器可對系統(tǒng)的有功和無功分量進(jìn)行時(shí)時(shí)采樣并計(jì)算，然后對TCR分相調(diào)整實(shí)現(xiàn)負(fù)序補(bǔ)償，改善系統(tǒng)的三相平衡度。
SVC中的FC回路，除了配合TCR的動(dòng)態(tài)調(diào)整之外，兼有提高系統(tǒng)功率因數(shù)的作用同時(shí)濾除TCR和負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波。
3 結(jié)語
綜上所述，電力隨著社會(huì)發(fā)展不斷進(jìn)步而逐步加快發(fā)展腳步，近年來，風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)之后對其穩(wěn)定性造成了極大的影響，文章主要分析了風(fēng)電接入電網(wǎng)之后的影響因素分析，闡述了無功補(bǔ)償方案的擬定，進(jìn)一步促使我國風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)之后運(yùn)行更為合理。
［1］侯耀飛，丁劍，李廣凱，宋云亭，申洪.大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)電壓的影響及無功補(bǔ)償研究［J］.低壓電器，2012（22）.
［2］許曉艷，馬爍，黃越輝，常喜強(qiáng).大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響機(jī)理研究［J］.中國電力，2015（03）.
［3］范雪峰，張中丹，楊昌海，楊晶，宋汶秦，賈春蓉，陳得治，李鵬.大型風(fēng)電基地動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償對風(fēng)電外送動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的提升作用研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2013（10）.
10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.154
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風(fēng)電接入電網(wǎng)之后，由于多種因素影響，對電壓穩(wěn)定性影響較大，這主要體現(xiàn)在以下幾方面，比如運(yùn)行方式、風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)控制等，這些因素都會(huì)影響電壓穩(wěn)定性。文章針對風(fēng)電連入電網(wǎng)之后出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)定問題進(jìn)行分析，并制定無功補(bǔ)償方案。
風(fēng)電；電網(wǎng)影響；無功補(bǔ)償；研究
1 風(fēng)電接入電網(wǎng)影響因素分析
1.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式
對于電力系統(tǒng)而言，其運(yùn)行方式可以分析以下三種，分別是正常運(yùn)行方式、事故運(yùn)行方式、特殊運(yùn)行方式。而針對正常運(yùn)行方式，它還可以依據(jù)時(shí)域進(jìn)行劃分，運(yùn)行方式主要有年、季度、日，這其中每種運(yùn)行方式又可以細(xì)分為兩種，其一是大負(fù)荷方式，其二是小負(fù)荷方式。不同運(yùn)行方式運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)負(fù)荷能力存在差異，同時(shí)開機(jī)方式也不同，因此在風(fēng)電輸出功率方面也存在差異性，在功率波動(dòng)時(shí)，線路潮流差距極大，這也直接導(dǎo)致了線路阻抗壓降存在差異性。就某市某電網(wǎng)而言，存在四個(gè)典型運(yùn)行方式，分別是夏大、夏小、冬大、冬小。在進(jìn)行分析時(shí)，如果Α地東南風(fēng)電機(jī)組，其恒功率因素控制，而且其功率因數(shù)是1.0，針對風(fēng)電機(jī)組而言，其出力同時(shí)率為0.78，對于C地風(fēng)電出力而言，其需要依據(jù)最大力考慮，同時(shí)還需考慮風(fēng)電場，其接入系統(tǒng)的330kV變壓器，側(cè)裝35kV，設(shè)置無功補(bǔ)償裝置。此外，針對風(fēng)電而言，其出力發(fā)生變化時(shí)，以下方面保持不變，如低壓無償功能、機(jī)組開/停機(jī)方式等。
1.2 風(fēng)電機(jī)組類型
對于不同風(fēng)電機(jī)組而言，其對電壓穩(wěn)定性影響程度不同，尤其是針對靜壓系統(tǒng)。就目前而言，主要的風(fēng)電機(jī)組類型有兩種：其一是定速風(fēng)機(jī)，其二是變速風(fēng)機(jī)。對于定速風(fēng)機(jī)而言，它主要借助籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，其在向電網(wǎng)傳送功率時(shí)，電網(wǎng)必須對其提供相關(guān)元素，即無功功率，兩者存在著某種關(guān)聯(lián)性，針對風(fēng)機(jī)傳送而言，其輸出功率越多，則需要同等量的無功功率，一旦接入電網(wǎng)較弱，將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，如電壓波動(dòng)較大；而對于變速風(fēng)機(jī)而言，其逆變器和電網(wǎng)相通，通過調(diào)節(jié)某個(gè)部位，如轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器，使其觸發(fā)角發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)以下功能的調(diào)節(jié)，即定子輸出功率，這樣在某種程度上促使其與發(fā)電機(jī)關(guān)聯(lián)性加強(qiáng)，具備電壓調(diào)節(jié)能力。此外，對風(fēng)電機(jī)組的有效控制，變速風(fēng)機(jī)能夠發(fā)揮最大功能，這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是有功功率，其二是無功功率，實(shí)現(xiàn)解耦控制，這不僅對風(fēng)電場非常有益，而且對電網(wǎng)也極為有利，兩者之間可以進(jìn)行無功切換。
2 無功補(bǔ)償方案研究
無功需求分析電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，無功功率必須要維持平衡，所謂無功功率平衡，這主要體現(xiàn)無功功率電源，它發(fā)出的無功功率，其與無功功率負(fù)荷、無功功率損耗，它們之間的平衡。對于電力系統(tǒng)而言，無功功率平衡非常重要，它關(guān)系到電壓水平，確保其能夠維持在正常的運(yùn)行狀態(tài)。無功需求分析是一項(xiàng)極為關(guān)鍵的任務(wù)，只有進(jìn)行有效分析才能擬定無功補(bǔ)償方案，針對無功需求分析而言，它主要涵蓋兩個(gè)方面，分別是榮性和感性兩方面。對于容性無功補(bǔ)償，其容量確定需要依據(jù)如下元素，比如主變無功損耗、線路無功缺額，以上述內(nèi)容作為依據(jù)確定容量；而對于感性無功需求，它需要按照相關(guān)原則進(jìn)行平衡，即100%補(bǔ)償線路功率。對于變電站而言，其在以下方面要引起注意，如低壓電容、電抗補(bǔ)償，這兩者的容量不得高于主變?nèi)萘?0%；針對輸電線路而言，其所需無功補(bǔ)償，主要體現(xiàn)在線路兩端配置，各增加50%。開展無功需求分析時(shí)，還需考慮如下原則：（1）對于電力系統(tǒng)而言，其在進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)，滿足無功功率如下要求，如分層分區(qū)平衡、就地補(bǔ)償原則；（2）故障方式下，滿足如下要求，即動(dòng)態(tài)無功平衡、快速無功調(diào)節(jié)。
無功補(bǔ)償量分析。一般情況下，對于發(fā)電機(jī)而言，其無功出力能夠滿足如下需求，即就地平衡補(bǔ)償，正因?yàn)槿绱?，只需對以下兩方面進(jìn)行無功補(bǔ)償，分別是變電站、負(fù)荷，以此滿足無功就地平衡。對于變電站而言，其無功補(bǔ)償涵蓋兩方面，其一是輸電線路，其二是變壓器。電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于其運(yùn)行方式的不同，其補(bǔ)償所需容量也存在差異性，存在最大值Qcmax，還存在最小值Qcmin，也就是在無償補(bǔ)償容量中，出現(xiàn)的上下限值。針對無功補(bǔ)償而言，其在配置過程中需要依據(jù)相關(guān)原則，并對無功需求進(jìn)行有效分析，進(jìn)而獲得計(jì)算結(jié)果。
無功補(bǔ)償SVC的研究。SVC的顯著特點(diǎn)是能快速，連續(xù)地對波動(dòng)性負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，有效的抑制系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變，同時(shí)濾除系統(tǒng)中的高次諧波，并通過分相調(diào)整改善系統(tǒng)的三相平衡。其工作原理簡述如圖1。
圖1（a）為TCR+FC型靜止補(bǔ)償裝置運(yùn)行原理圖，圖1（b）說明其動(dòng)態(tài)無功平衡過程。圖1（a）中FC回路的C為固定值，所以超前的無功功率QL（圖1（b）中虛線所示），使SVC總的無功輸出QZ=QC-QL發(fā)生變化。當(dāng)負(fù)荷QF增大時(shí)，TCR產(chǎn)生的無功功率QL減少；當(dāng)負(fù)載QF減小時(shí)，TCR產(chǎn)生的無功功率QL增加。即不管負(fù)載的無功功率變化，總要使有系統(tǒng)共給的無功功率QS=QF+QL-QC近似等于常數(shù)，以抑制負(fù)載波動(dòng)所造成的系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。
SVC中的可控部分（TCR）由可控硅閥和空心線性電抗器組成?？煽毓璧挠|發(fā)角可在90°-180°范圍內(nèi)變化，使TCR的無功功率QL從100%變化到0。TCR的觸發(fā)角和導(dǎo)通角之間的關(guān)系式（1）所示。
式中：
σ—可控硅導(dǎo)通角；
Α—可控硅觸發(fā)角
TCR幾波電流有效值為：
式中：U—系統(tǒng)基波電壓；
X1—電抗器電抗值
導(dǎo)通角與等效電納之間是非線性關(guān)系，通常在觸發(fā)回路中插入線性化校正環(huán)節(jié)，以補(bǔ)償導(dǎo)通角與等效電納之間的非線性。SVC的伏安特性如圖2所示。
如前所述，SVC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康厥菫榱艘种齐妷翰▌?dòng)和閃變，從圖2可以清楚的看出SVC對電壓波動(dòng)的抑制作用。ΑB為SVC伏安特性的可控區(qū)，在感性負(fù)載下，系統(tǒng)正常工作時(shí)的負(fù)載特性如直線11所示，二者的交點(diǎn)L為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓。在SVC可控區(qū)ΑB上，L點(diǎn)對應(yīng)的可控硅導(dǎo)通角為σ1，因此L點(diǎn)也可以看成導(dǎo)通角為σ1時(shí)SVC等效電抗伏安特性0F與系統(tǒng)負(fù)載線11的交點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化，造成系統(tǒng)負(fù)載線突然從11上升至12，使電壓升高至K點(diǎn)時(shí)，SVC將調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角為σK，其等效電抗伏安特性為0G，與負(fù)載線12交于M點(diǎn)，此時(shí)SVC提供滯后無功電流IL（在SVC伏安特性的第一象限）在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生電壓降，抑制負(fù)載變化造成的電壓波動(dòng)，以保持供電電壓不遠(yuǎn)離正常值。同理，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化使電壓降低時(shí)，SVC將提供的超前無功電流IC（在SVC伏安特性的第二象限），抑制其造成的電壓波動(dòng)。對于負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)序分量，根據(jù)Steinmetz原理（兩相無功平衡一相有功），SVC的調(diào)節(jié)器可對系統(tǒng)的有功和無功分量進(jìn)行時(shí)時(shí)采樣并計(jì)算，然后對TCR分相調(diào)整實(shí)現(xiàn)負(fù)序補(bǔ)償，改善系統(tǒng)的三相平衡度。
SVC中的FC回路，除了配合TCR的動(dòng)態(tài)調(diào)整之外，兼有提高系統(tǒng)功率因數(shù)的作用同時(shí)濾除TCR和負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波。
3 結(jié)語
綜上所述，電力隨著社會(huì)發(fā)展不斷進(jìn)步而逐步加快發(fā)展腳步，近年來，風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)之后對其穩(wěn)定性造成了極大的影響，文章主要分析了風(fēng)電接入電網(wǎng)之后的影響因素分析，闡述了無功補(bǔ)償方案的擬定，進(jìn)一步促使我國風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)之后運(yùn)行更為合理。
［1］侯耀飛，丁劍，李廣凱，宋云亭，申洪.大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)電壓的影響及無功補(bǔ)償研究［J］.低壓電器，2012（22）.
［2］許曉艷，馬爍，黃越輝，常喜強(qiáng).大規(guī)模風(fēng)電接入對電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性影響機(jī)理研究［J］.中國電力，2015（03）.
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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.154
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