JP4805186B2 - 電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、電圧フリッカの対策に用いて好適な電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムに関する。

本明細書において、電圧フリッカとは、１０Ｈｚ成分前後で振動する電圧成分を意味するものとして用いている。

アーク炉や圧延機などによって生じる電圧フリッカは照明のちらつき等を引き起こすという問題がある。このため、電圧変動を効果的に抑制することが必要とされる。

従来の電圧変動を抑制する技術としては、例えば無効電力補償装置の制御方式がある（特許文献１）。この制御方式は、図３に示すように、系統母線１０１に接続された変動負荷１０２の無効電力ＱLを検出すると共にこれに対応する大きさでサイリスタ制御リアクトルＴＣＲが系統母線１０１に供給する無効電力ＱTCRを増減して系統母線１０１の電圧Ｖsの変動を抑制する無効電力補償装置ＳＶＣにおいて、変動負荷１０２の無効電力ＱLを検出した主制御信号とは別に、系統全体の合成無効電力ＱTを検出すると共にこれを一次遅れ要素１０３に通したものを制御誤差修正用の従制御信号として取り出し、主制御信号と従制御信号との加算値でサイリスタ制御リアクトルＴＣＲの位相制御を行なうものである。
実開平６−１５１１５

しかしながら、特許文献１の無効電力補償装置の制御方式は、アーク炉などの変動負荷１０２の状態量を直接検出してそれをキャンセルするフィードフォワード方式と、キャンセルした後の系統母線１０１の状態量をフィードバックする方式とを同時に活用して電圧変動を抑制するようにしているが、各方式それぞれにおいて視感度曲線に適応するように設定されたフィルタを適用したものではないために電力変換装置の性能を十分に活用するものとなっていない。このため、複数の周波数成分が混在している電圧フリッカへの対応が十分とは言えず、特許文献１の無効電力補償装置によって電圧フリッカを効果的に抑制することができるとは言い難い。

なお、視感度曲線（ちらつき視感度曲線とも呼ばれる）とは、図２に示す曲線であって、電圧が変動することによって照明のちらつきを感じる人の周波数ごとの割合を表す曲線のことである（例えば、電力系統利用協議会：電力系統利用協議会ルール，平成１８年６月１３日 第８回改正，p.４４）。

また、フィードバック方式を活用して電圧変動を抑制する場合には時間遅れを伴った制御状態量を用いることとなるためにフィードバックループの安定性を考慮して安定化補償装置を導入する必要がある。しかしながら、特許文献１の無効電力補償装置の制御方式は、安定化補償装置を有しないためにフィードバック系の安定性を十分に考慮した制御方法とは言えず、このためにフィードバック方式のキャンセル効果が小さくなって電圧変動抑制効果が小さくなり、電圧フリッカ制御の精度が高いとは言い難い。

さらに、特許文献１の制御方式では、無効電力補償装置の制御に用いる状態量として無効電力を演算して用いるようにしており、この場合には電圧及び電流の二つの情報を用いるために電圧の検出誤差と電流の検出誤差とが掛け合わされて大きなノイズとして現れるという問題があり、電圧フリッカ制御の精度が高いとは言い難い。

そこで、本発明は、電圧変動を抑制する電力変換システムにおいて、フィードフォワード方式とフィードバック方式とを同時に活用してアーク炉や圧延機などによって生じ複数の周波数成分が混在している電圧フリッカを特に効果的に抑制することができる電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の電力変換システムの制御方法は、母線の変動調整前の電流を検出しｄｑ変換を行って無効電流を算出すると共に該変動調整前の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードフォワードフィルタを変動調整前の無効電流に適用して得られる出力とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令との差分にｄｑ逆変換を行うことでフィードフォワードループ無効電流指令値を算出するフィードフォワード方式の変動調整と、母線の変動調整後の電流を検出しｄｑ変換を行って無効電流を算出すると共に該変動調整後の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードバックフィルタを変動調整後の無効電流に適用して得られる出力とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令との差分についてのフィードバックループの安定化後の出力にｄｑ逆変換を行うことでフィードバックループ無効電流指令値を算出するフィードバック方式の変動調整とを合成して母線の電圧変動を調整するようにしている。

また、請求項２記載の電力変換システムは、母線の変動調整前の電流を検出する第一の変流器と、変動調整前の電流についてｄｑ変換を行って無効電流を算出する第一のｄｑ変換装置と、変動調整前の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードフォワードフィルタと、変動調整前の無効電流にフィードフォワードフィルタを適用した後の無効電流とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令との差分にｄｑ逆変換を行ってフィードフォワードループ無効電流指令値を算出する第一のｄｑ逆変換装置と、母線の変動調整後の電流を検出する第二の変流器と、変動調整後の電流についてｄｑ変換を行って無効電流を算出する第二のｄｑ変換装置と、変動調整後の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードバックフィルタと、変動調整後の無効電流にフィードバックフィルタを適用した後の無効電流とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令との差分についてのフィードバックループの安定化を行う安定化補償器と、安定化補償器の出力にｄｑ逆変換を行ってフィードバックループ無効電流指令値を算出する第二のｄｑ逆変換装置と、フィードフォワードループ無効電流指令値とフィードバックループ無効電流指令値とが加算された三相電流指令値に基づいて電力変換装置にパルスを出力するパルス発生装置とを有するようにしている。

したがって、この電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムによると、フィードフォワードフィルタがΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に基づいて設計されると共にフィードバックフィルタがΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に基づいて設計されるようにしているので、フィードフォワード方式とフィードバック方式とのそれぞれにおいて視感度曲線に適応するように設定されたフィルタが適用される。

なお、ΔＶ１０演算値は、アーク炉フリッカに対して一般的に用いられるフリッカの表示尺度である（例えば、電力系統利用協議会：電力系統利用協議会ルール，平成１８年６月１３日 第８回改正，p.４４）。ΔＶ１０演算値は、具体的には、電圧変動による１００Ｖ−６０Ｗ白熱電灯の光束変化とそれが人間の視覚に及ぼすちらつき感とを表し、数式１により表される。

ここに、ａ_ｎ：変動周波数ｆ_ｎに対応するちらつき視感度係数，ΔＶ_ｎ：変動周波数ｆ_ｎに対応する成分の振れ幅。

また、上記電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムによると、フィードバックループの安定性を考慮して安定化補償装置が導入されるので、フィードバック方式の状態量によってフィードフォワード方式の状態量が適切にキャンセルされる。

さらに、電力変換システムの制御に用いる状態量として無効電流を用いるようにしているので、電力を用いる場合と比べて状態量の検出誤差が小さくなる。

本発明の電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムによれば、フィードフォワード方式とフィードバック方式とのそれぞれにおいて視感度曲線に基づいて設計されたフィルタが適用されるので、電力変換装置の性能を十分に活用して複数の周波数成分が混在している電圧フリッカへの対応を適切に図ることが可能であり、電圧フリッカの抑制性能の向上を図ることができる。

また、本発明によれば、制御対象システム全体の安定性を考慮して安定化補償装置が導入されるので、フィードバック方式の状態量によってフィードフォワード方式の状態量を適切にキャンセルすることが可能であり、電圧フリッカ制御の精度の向上を図ることができる。

さらに、本発明によれば、制御のための状態量として無効電流を用いるようにしているので、電力を用いる場合と比べて状態量の検出誤差を小さくすることが可能であり、電圧フリッカ制御の精度の向上を図ることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に、本発明の電力変換システムの制御方法並びにその制御方法を用いた電力変換システムの実施形態の一例を示す。この電力変換システムの制御方法は、母線１８の変動調整前の電流Ｉｆを検出しｄｑ変換を行って無効電流Ｉfrを算出すると共に変動調整前の無効電流Ｉfrに対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードフォワードフィルタ２を変動調整前の無効電流Ｉfrに適用して得られる出力Ｉfr’とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令５との差分ΔＩ１にｄｑ逆変換を行うことでフィードフォワードループ無効電流指令値Ｉref１を算出するフィードフォワード方式の変動調整と、母線１８の変動調整後の電流Ｉｂを検出しｄｑ変換を行って無効電流Ｉbrを算出すると共に変動調整後の無効電流Ｉbrに対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードバックフィルタ４を変動調整後の無効電流Ｉbrに適用して得られる出力Ｉbr’とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令６との差分ΔＩ２についてのフィードバックループの安定化後の出力Ｉref2’にｄｑ逆変換を行うことでフィードバックループ無効電流指令値Ｉref2を算出するフィードバック方式の変動調整とを合成して母線１８の電圧変動を調整するようにしている。

上記電力変換システムの制御方法は、本発明の電力変換システムとして実現される。本実施形態の電力変換システム１は、母線１８の変動調整前の電流Ｉｆを検出する第一の変流器１０と、変動調整前の電流Ｉｆについてｄｑ変換を行って無効電流Ｉfrを算出する第一のｄｑ変換装置１１と、変動調整前の無効電流Ｉfrに対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードフォワードフィルタ２と、変動調整前の無効電流Ｉfrにフィードフォワードフィルタ２を適用した後の無効電流Ｉfr’とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令５との差分ΔＩ１にｄｑ逆変換を行ってフィードフォワードループ無効電流指令値Ｉref１を算出する第一のｄｑ逆変換装置１２と、母線１８の変動調整後の電流Ｉｂを検出する第二の変流器１３と、変動調整後の電流Ｉｂについてｄｑ変換を行って無効電流Ｉbrを算出する第二のｄｑ変換装置１４と、変動調整後の無効電流Ｉbrに対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードバックフィルタ４と、変動調整後の無効電流Ｉbrにフィードバックフィルタ４を適用した後の無効電流Ｉbr’とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令６との差分ΔＩ２についてのフィードバックループの安定化を行う安定化補償器３と、安定化補償器３の出力Ｉref2’にｄｑ逆変換を行ってフィードバックループ無効電流指令値Ｉref2を算出する第二のｄｑ逆変換装置１５と、フィードフォワードループ無効電流指令値Ｉref1とフィードバックループ無効電流指令値Ｉref2とが加算された三相電流指令値Ｉrefに基づいて電力変換装置８にパルスを出力するパルス発生装置７とを備えている。

そして、電力変換装置８と調相設備９とによって他励式無効電力補償装置が構成される。

まず、電力変換システム１のフィードフォワードループによる電圧変動の調整について説明する。

第一の変流器１０は、電圧変動の発生源１６が接続している母線１８の電力変換システム１による変動調整前の電流Ｉｆを検出する。そして、第一の変流器１０は検出した電流Ｉｆの値を第一のｄｑ変換装置１１に送る。なお、電流Ｉｆは、日本では５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統周波数成分とその他の成分とからなる三相電流である。

電圧変動の発生源１６は、電圧フリッカを生じさせる大電力消費設備や施設例えばアーク炉や圧延機などである。また、図１において、符号１７は上位系統を示す。

第一のｄｑ変換装置１１は、第一の変流器１０によって検出された変動調整前の電流Ｉｆについてｄｑ変換を行って無効電流Ｉfrを算出する。具体的には、第一のｄｑ変換装置１１は、電流Ｉｆについて、数式２によってαβ変換即ち三相から二相に変換した変数を用い、数式４によってｄｑ変換即ちα−β軸直交座標系からｄ−ｑ軸回転座標系への変換を行う。そして、第一のｄｑ変換装置１１は算出した無効電流Ｉfrの値をフィードフォワードフィルタ２に送る。

ここに、Ｉfα：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrの直交座標系α軸成分，Ｉfβ：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrの直交座標系β軸成分，Ｉfa：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrのａ相無効電流値，Ｉfb：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrのｂ相無効電流値，Ｉfc：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrのｃ相無効電流値。単位はいずれもｐｕ（ｐｅｒ ｕｎｉｔのこと）。なお、対象とするシステムの容量をＳ［ＶＡ］とし、線間電圧をＶ［Ｖ］（実効値）とすると、測定器で検出された電流［Ａ］（波高値）を数式３で割ることでｐｕの無次元の単位となる。

ここに、Ｉfd：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrの回転座標系ｄ軸成分［ｐｕ］，Ｉfq：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrの回転座標系ｑ軸成分［ｐｕ］，Ｉfα：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrの直交座標系α軸成分［ｐｕ］，Ｉfβ：電流Ｉｆの無効電流Ｉfrの直交座標系β軸成分［ｐｕ］，θ：直交座標系の軸と回転座標系の軸とがなす角［ラジアン］（以下、位相と呼ぶ）。

ここで、数式２の位相θについては、電力変換システム１が接続されている系統電圧の位相を用いる必要はない。θ＝２πｆ（ここに、ｆは系統周波数［Ｈｚ］）として計算すれば良い。なお、系統周波数成分は、数式２で計算された無効電流Ｉfrのｄ軸成分Ｉfd及びｑ軸成分Ｉfqは直流成分になっており、その他の成分は系統周波数を引いた周波数成分になっている。

フィードフォワードフィルタ２は、第一のｄｑ変換装置１１によって算出された無効電流Ｉfrに対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線（図２）に適切に対応するように設定される。具体的には、フィードフォワードフィルタ２として数式５に示す帯域通過フィルタが用いられる。そして、フィードフォワードフィルタ２は、無効電流Ｉfrにフィルタを適用した後の無効電流Ｉfr’を出力する。

ここに、Ｓ：ラプラス演算子，Ｑ：尖鋭さを表す［ｐｕ］，Ｋ：ゲイン［ｐｕ］，ω_０：角周波数［ラジアン／秒］。

なお、Ｋ＝１，ω_０＝２π１０である。また、Ｑは、図２に示す１０Ｈｚにピークとなる視感度曲線を考慮して０．３〜０．５程度に設定される。このフィルタにより、回転座標系で直流成分となっている基本波成分が除去されると共に電圧フリッカに影響する１０Ｈｚ前後の成分が効果的に抽出される。

そして、第一のｄｑ逆変換装置１２は、フィードフォワードフィルタ２の出力であるフィルタ適用後の無効電流Ｉfr’とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令５との差分ΔＩ１についてｄｑ逆変換を行ってフィードフォワードループの無効電流指令値Ｉref1を算出する。具体的には、第一のｄｑ逆変換装置１２は、差分ΔＩ１について、数式６によってｄｑ逆変換即ちｄ−ｑ軸回転座標系からα−β軸直交座標系に変換した変数を用い、数式７によってαβ逆変換即ち二相から三相への変換を行う。

ここに、Ｉrefα1：フィードフォワードループの無効電流指令値Ｉref1の直交座標系α軸成分［ｐｕ］，Ｉrefβ1：無効電流指令値Ｉref1の直交座標系β軸成分［ｐｕ］，Ｉdref1：フィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令の回転座標系ｄ軸成分であり値はゼロ［ｐｕ］，Ｉqref1：フィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令の回転座標系ｑ軸成分であり値はゼロ［ｐｕ］，Ｉfrd’：フィードフォワードフィルタ適用後の無効電流Ｉfr’の回転座標系ｄ軸成分［ｐｕ］，Ｉfrq’：フィードフォワードフィルタ適用後の無効電流Ｉfr’の回転座標系ｑ軸成分［ｐｕ］，θ：位相［ラジアン］。

ここに、Ｉrefａ1：フィードフォワードループの無効電流指令値Ｉref1のａ相電流値，Ｉrefｂ1：無効電流指令値Ｉref1のｂ相電流値，Ｉrefｃ1：無効電流指令値Ｉref1のｃ相電流値，Ｉrefα1：無効電流指令値Ｉref1の直交座標系α軸成分，Ｉrefβ1：無効電流指令値Ｉref1の直交座標系β軸成分。単位はいずれもｐｕ。

続いて、電力変換システム１のフィードバックループによる電圧変動の調整について説明する。

第二の変流器１３は、母線１８の電力変換システム１による変動調整後の電流Ｉｂを検出する。そして、第二の変流器１３は検出した電流Ｉｂの値を第二のｄｑ変換装置１４に送る。

第二のｄｑ変換装置１４は、第二の変流器１３によって検出された変動調整後の電流Ｉｂについてｄｑ変換を行って無効電流Ｉbrを算出する。具体的には、第二のｄｑ変換装置１３は、電流Ｉｂについて、数式２及び数式４の関係式における行列を用いてαβ変換した変数を用いてｄｑ変換する。そして、第二のｄｑ変換装置１４は算出した無効電流Ｉbrの値をフィードバックフィルタ４に送る。

フィードバックフィルタ４は、第二のｄｑ変換装置１４によって算出された無効電流Ｉbrに対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に適切に対応するように設定される。具体的には、フィードバックフィルタ４として数式５に示す帯域通過フィルタが用いられる。そして、フィードバックフィルタ４は、無効電流Ｉbrにフィルタを適用した後の無効電流Ｉbr’を出力する。

なお、Ｋ＝１，ω_０＝２π１０である。また、Ｑは０．３〜０．５程度に設定される。このフィルタにより、回転座標系で直流成分となっている基本波成分が除去されると共に電圧フリッカに影響する１０Ｈｚ前後の成分が効果的に抽出される。

フィードバックフィルタ４の出力であるフィルタ適用後の無効電流Ｉbr’とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令６との差分ΔＩ２が安定化補償器３に入力される。ここで、フィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令６の値は、回転座標系ｄ軸成分及び回転座標系ｑ軸成分共にゼロである。

安定化補償器３は、第二の変流器１３と第二のｄｑ変換装置１４とフィードバックフィルタ４と安定化補償器３と第二のｄｑ逆変換装置１５とパルス発生装置７と電力変換装置８とからなる閉ループ即ちフィードバックループの安定化を行う補償器である。具体的には、安定化補償器３として数式８で表される一次進み遅れ要素であって他励式無効電力補償装置に時間遅れが存在するために位相を進める補償器が二段で用いられる。そして、安定化補償器３は、安定化後の無効電流Ｉref2’を出力する。

ここに、Ｋ：ゲイン［ｐｕ］，Ｔ：時定数［秒］，Ｓ：ラプラス演算子。また、添字１〜４：時定数を設定するパラメータ。

そして、第二のｄｑ逆変換装置１５は、安定化補償器３の出力である安定化後の無効電流Ｉref2’について、数式６及び数式７の関係式における行列を用いてｄｑ逆変換した変数を用いてαβ逆変換を行ってフィードバックループの無効電流指令値Ｉref2を出力する。

そして、以上により算出されたフィードフォワードループの無効電流指令値Ｉref1とフィードバックループの無効電流指令値Ｉref2とは加算されて三相電流指令値Ｉref（＝Ｉref1＋Ｉref2）としてパルス発生装置７に入力される。

パルス発生装置７は、三相電流指令値Ｉrefに基づいて電力変換装置８に対してパルスを出力する。

以上により、電力変換装置８と調相設備９との合成電流Ｉｃは三相電流指令値Ｉrefと等しくなるように流れる。すなわち、母線１８の電圧変動が抑えられる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

本発明の電力変換システムの実施形態の一例の構成を示すブロック図である。 視感度曲線を示す図である。 従来の無効電力補償装置の制御方式の制御回路を示す図である。

符号の説明

１ 電力変換システム
２ フィードフォワードフィルタ
３ 安定化補償器
４ フィードバックフィルタ
５ フィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令
６ フィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令
７ パルス発生装置
８ 電力変換装置
９ 調相設備
１０ 第一の変流器
１１ 第一のｄｑ変換装置
１２ 第一のｄｑ逆変換装置
１３ 第二の変流器
１４ 第二のｄｑ変換装置
１５ 第二のｄｑ逆変換装置
１６ 電圧変動の発生源
１７ 上位系統
１８ 母線

Claims (2)

1. 母線の変動調整前の電流を検出しｄｑ変換を行って無効電流を算出すると共に該変動調整前の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードフォワードフィルタを前記変動調整前の無効電流に適用して得られる出力とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令との差分にｄｑ逆変換を行うことでフィードフォワードループ無効電流指令値を算出するフィードフォワード方式の変動調整と、前記母線の変動調整後の電流を検出しｄｑ変換を行って無効電流を算出すると共に該変動調整後の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードバックフィルタを前記変動調整後の無効電流に適用して得られる出力とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令との差分についてのフィードバックループの安定化後の出力にｄｑ逆変換を行うことでフィードバックループ無効電流指令値を算出するフィードバック方式の変動調整とを合成して前記母線の電圧変動を調整することを特徴とする電力変換システムの制御方法。
2. 母線の変動調整前の電流を検出する第一の変流器と、前記変動調整前の電流についてｄｑ変換を行って無効電流を算出する第一のｄｑ変換装置と、前記変動調整前の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードフォワードフィルタと、前記変動調整前の無効電流に前記フィードフォワードフィルタを適用した後の無効電流とフィードフォワードループの電流変動をゼロに抑える指令との差分にｄｑ逆変換を行ってフィードフォワードループ無効電流指令値を算出する第一のｄｑ逆変換装置と、前記母線の変動調整後の電流を検出する第二の変流器と、前記変動調整後の電流についてｄｑ変換を行って無効電流を算出する第二のｄｑ変換装置と、前記変動調整後の無効電流に対してΔＶ１０演算値の計算に用いる視感度曲線に応じて設定されるフィードバックフィルタと、前記変動調整後の無効電流に前記フィードバックフィルタを適用した後の無効電流とフィードバックループの電流変動をゼロに抑える指令との差分についてのフィードバックループの安定化を行う安定化補償器と、前記安定化補償器の出力にｄｑ逆変換を行ってフィードバックループ無効電流指令値を算出する第二のｄｑ逆変換装置と、前記フィードフォワードループ無効電流指令値と前記フィードバックループ無効電流指令値とが加算された三相電流指令値に基づいて電力変換装置にパルスを出力するパルス発生装置とを有することを特徴とする電力変換システム。

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