一种改进MPPT方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电系统与流程
本发明涉及一种太阳能光伏发电系统，特别是涉及一种改进的最大功率点跟踪方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电系统，属太阳能光伏发电技术领域。
技术背景
光伏发电作为一种重要的分布式电源技术得到了快速发展，独立或并网光伏电站的建设数量和容量不断增加。光伏发电系统一般由太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器及用电负载等部件构成。太阳能电池吸收日照辐射能量，将太阳光能转化成为电能，为系统提供电源，一路通过控制器，用于直流负载；另一路通过控制器与逆变器将光伏方阵输出的直流电转换为交流电给负载供电。由于太阳能电池的i-v与p-v非线性特征，光伏发电系统的输出功率随日照强度和温度变化而不同，相应的最大功率点也不同。日照越强，光伏系统输出的功率越大；太阳能电池本身温度越高，光伏发电系统输出功率越小。在特定日照强度和温度条件下，光伏系统具有唯一的最大输出功率点，而光伏系统只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最大。因此，为了最大限度高效利用太阳能发电，必须对光伏方阵的最大功率点实时跟踪，即根据日照强度的变化实时地调节输出电压和频率，实现最大功率点跟踪。
mppt的实质就是一个自寻优过程，最大功率点跟踪算法依据不同的实现方法，大概可以将其归纳为以下几种方法：恒定电压法、干扰观察法、电导增量法、间歇扫描法，各种跟踪方法各有优缺点。例如，干扰观察法是根据光伏阵列的p-v输出，观察比较输出功率值。基本思路是通过改变光伏电池阵列的输出电压，并实时采样输出电压和电流，计算输出功率，然后与前一次所得的功率相比较。如果大了，说明扰动方向是正确的，维持原来的方向；如果比原来的功率小了，说明输出功率降低了，应使光伏电池的输出电压减少，如此反复的扰动、观察比较，使光伏电池阵列最终工作在最大功率点上。
扰动法由于结构简单、被测参数少等优点而被广泛应用，但传统的扰动法存在着一个缺点，即固定步长对跟踪精度和跟踪速度无法同时兼顾，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区，跟踪速度就必定缓慢；如果步长过大，就会加大系统最大功率点附近的振荡幅度，导致一定的功率损失，使跟踪精度下降。另外，mppt方法的实现通常由主控电路微处理器单一控制，向储能蓄电池充电通常也是由双向dc/dc电路单一控制，而结合蓄电池充电特性、实时与储能蓄电池荷电水平相适应的耦合控制较少，致使光伏发电系统能量利用率不高，蓄电池也因欠充实际使用寿命大大缩短。针对于此，本发明提出了一种基于闭区间套定理的改进型自适应变步长扰动观察法，并与蓄电池的充放电特性结合，实现mppt方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制。
蓄电池充电管理要解决的是快速、高效、析出气少、动态过充、欠充保护等。对于独立光伏发电系统，日照时间是无法人为调节的，而光伏方阵的容量也由系统的投资所限制，仅用常规的充电策略不能达到高效利用的目的。如果光伏方阵输出不足以提供蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量时，光伏方阵mppt方式的能量能全部利用。相反，光伏方阵输出能量超过蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量时，光伏方阵就不能运行在mppt方式上，太阳能将没有得到充分利用，造成浪费。这在光伏方阵容量设计相对偏大的系统中或在一段时间日照情况相对较好时，经常会出现这种情况。因此，蓄电池有时不能吸收全部能量，并且可能由于充电速度慢，到最后蓄电池并未充满。如果能找到一种方法，使光伏方阵mppt方式与蓄电池快速充电耦合控制，既能使蓄电池快速充满电，又能充分利用太阳能电池发电效能，提高能量利用率。
光伏系统发电量作为影响建设投资决策、经济性分析、电气设备选型和系统优化设计的依据，在项目可行性研究阶段，需要对光伏系统出力做出分析和计算。现有的光伏系统发电量估算方法通常需要较多当地光伏电站实际运行数据和距电站所在地最近的气象站提供的数据信息，参数取值计算大多数都比较复杂，例如根据项目所在地多年年均太阳辐射值或各月辐射量数据和基于bp神经网络和灰色理论建立的光伏发电系统发电量预测评估模型，采用太阳辐射模型、多项环境因素和自身变量、赤道坐标系等数据，成本较高，计算速度慢。而对于拟建光伏发电系统，其安装选址多处于远离市区的荒山坡地，普遍缺乏当地权威有效的气象数据和环境参数；同时，对于独立的户用系统和其他小型供电系统做详细的资源数据收集也很不划算。为此，本发明提出了一种基于地理纬度变量的光伏系统发电量估算模型，依据当地天气预报数据、光伏系统装机容量和最佳安装倾角等，通过公式计算可快速估算光伏电站的年均发电总量；并进行实例计算与分析，能较好满足工程实践需要。
技术实现要素：
针对目前技术状况，本发明提出了一种基于闭区间套定理的改进型mppt方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电系统及其基于地理纬度的光伏系统发电量估算方法，实现对光伏系统年发电量快速估算。
为实现本发明目的，本发明采用的技术方案是：
在晴好天气条件下，太阳光照射到太阳能电池方阵上，太阳能电池将太阳光能转换为电能，主控制器通过电流采集电路和电压采集电路检测光伏方阵的实时输出功率，然后根据mppt算法来调节pwm的占空比d，使光伏方阵工作在最大功率点处；直流电能在主控制器的控制下，经过防反充二极管并通过双向dc/dc转换和输出保护电路给蓄电池组充电；同时，mcu微处理器通过检测回路对电压电流和温度等进行实时采样，计算判断光伏方阵mppt工作状态与蓄电池组充电状态和容量，在蓄电池低容量阶段时，光伏方阵输出电量为蓄电池充电采用恒流与恒压限流充电方式；当蓄电池容量达到75％后，且光伏方阵输出足够电量时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比尽可能增大逐级限流充电电流，提高蓄电池充电速度，实现光伏方阵mppt方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制，解决蓄电池组长期欠充问题，提高光伏发电系统能量利用率。用电时，一路通过控制器，由光伏方阵给直流负载供电，当光伏方阵供电不足时，控制器控制蓄电池组放电，用于直流负载；另一路通过控制器与逆变器将直流电转换成通常频率和电压的交流电，再经交流配电系统和输电线路将交流电送给负载供电。
本发明所述的光伏系统年发电量估算通过对估算地区的水平面太阳辐射月总量历史数据和实际发电量测试数据得到基于纬度信息的模拟方程，再依据当地经纬度数据、系统容量和最佳安装倾角，得出年发电量。可以估算任意太阳辐射量、环境温度和系统结构下的光伏系统年均发电量。
本发明所述的蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电系统装置包括光伏方阵、控制器、逆变器、储能蓄电池组、阵列支架、交流配电器、输电线缆和用电负载等。其特征在于：光伏方阵由若干太阳电池组件、防反和旁路二极管、防雷直流汇流箱及缆线等串、并联连接后，通过机械方式固定组合而成；方阵支架由钢制镀锌材料制成，具有足够的刚度、强度以抗风、抗雪等，并牢固的安装在混凝土基础之上；所述控制器的dc/dc转换电路的直流输入端分别接光伏方阵的输出端正负极，dc/dc转换电路的直流输出端一路接蓄电池和直流负载，另一路接逆变器的输入端；逆变器的输出端接交流负载。
本发明所述控制器包括电压电流温度等采样模块、控制环路、功率驱动模块以及dc/dc转换电路模块。控制环路电路有三个控制环，分别由mcu微处理器发出的三个pwm信号来调节控制。第一路pwm信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵此时输出工作在最大功率点；第二路pwm信号用来调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路pwm信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿等。
其特征在于：所述的pwm控制电路的反馈端与所述的光伏方阵最大功率跟踪器相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接所述的直流/直流变换电路中的mosfet开关管vt1控制端；所述的pwm控制电路的反馈端分别与所述的恒压跟踪器和逐级限流与自平衡快充电电流检测跟踪器相连，产生控制所述的dc/dc转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的mosfet开关管vt2控制端，用于所述的蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；所述的输出保护及驱动电路反馈端与蓄电池放电端相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的mosfet开关管vt3控制端，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
本发明所述的改进mppt方法，其算法采用基于闭区间套定理的自适应逐步逼近扰动观察算法。在主电路没开始工作前，给控制器指定一个固定的扰动步长，把给定的扰动步长分为n个区间，最大的区间为第1个区间，依次向内缩小范围，第2个区间，第3个区间，……，第n个区间。开始扰动时，步长为n＝1的区间长度，在扰动的过程中，不断采样所需要的变量信息，比较采样到的结果，以此做依据来判断扰动方向，如果检测到扰动方向错误,改变原来的扰动方向，同时缩小扰动步长，取步长为n＝2的区间长度，沿着相反的方向进行扰动，直到再次检测到扰动方向错误，将步长确定在n＝3的区间长度，然后按照改变后的方向继续扰动，依次类推，改变方向后，步长确定在n+1的区间长度，直到n为无穷大，扰动步长足够小时，光伏方阵就稳定在最大功率点处。
本发明所述的蓄电池自平衡快速充电控制模块主要由智能充电模块、最大功率跟踪模块和pwm模块等组成。智能充电模块对充电过程进行控制，主要负责检测蓄电池状态，确定光伏充电控制器的工作状态，包括最大功率耦合快速充电、过充电、浮充电等子模块，实现对蓄电池快速、安全充电。
所述最大功率跟踪模块和pwm模块对蓄电池自平衡快速充电耦合进行控制，当蓄电池在恒流或恒压充电方式下，蓄电池能够接受光伏方阵发出最大功率时，对蓄电池充电保持原方式；当蓄电池在恒压逐级限流充电方式下，蓄电池不能接受光伏方阵输出的最大功率时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比增大限流充电电流，提高充电速度，使蓄电池快速充满电，实现光伏方阵mppt方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制；当蓄电池长时间欠充时，对蓄电池组进行分组循环充电，即将蓄电池组分成相同容量的小组，集中有限的方阵能量对小组进行充电，使小组达到充满状态。
本发明所述的蓄电池自平衡快速充电方法，将光伏方阵的输出端正、负极通过控制器分别与蓄电池组的正、负极相连，把太阳能电池输出的直流电能转变为化学能储存起来。通过控制器对光伏方阵输出电能与蓄电池在当前充电条件下的充电所需能量值比较，在蓄电池低容量阶段，采用恒流和恒压限流充电方式；在蓄电池容量达75％后，且光伏方阵输出足够电量时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比尽可能增大逐级限流充电电流，提高蓄电池充电速度，实现光伏方阵mppt方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制。
对于光伏发电系统年发电量估算，本发明以选取的14个地区已知的水平面太阳辐射月总量历史数据和实际发电量测试数据，通过数值模拟和曲线拟合，得到基于纬度的年均发电量估算模型。利用该模型，只需当地纬度、光伏电站装机容量和最佳安装倾角等数据，就可估算任意太阳辐射量、环境温度和系统结构下的拟建设光伏发电系统年均发电量。
本发明提出了一种适用于中小型光伏发电系统的兼顾精度、速度和成本的自适应变步长逐步逼近扰动观察最大功率跟踪及其与蓄电池恒压限流自平衡快速充电耦合控制光伏发电系统，有益效果如下：(1)通过对太阳能电池i-v与p-v非线性特性研究，采用了一种基于闭区间套定理的改进型自适应变步长逐步逼近扰动观察法，实现了当外部环境突变时系统能快速、准确地最大功率点跟踪(mppt)，同时基本上消除了系统在最大功率点振荡的现象，并兼顾了稳态和动态性能；(2)通过对蓄电池充放电特性研究，采用了一种适宜太阳能光伏发电特性的蓄电池分阶段恒压限流自平衡快速充电模式与控制策略，提高了蓄电池的荷电水平，结合控制器和逆变电源完善的保护功能，解决了蓄电池过充过放问题，使储能蓄电池组安全可靠工作；(3)通过对光伏方阵输出电能与蓄电池在当前充电条件下的所需能量值比较，采用32位微处理器，实现光伏方阵mppt方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制，提高了光伏系统能量利用效率。(4)对于独立光伏发电系统，提出了基于纬度变量的光伏发电系统年发电量快速估算方法，依据当地经纬度数据、系统容量和最佳安装倾角，得出年发电量。可以估算任意太阳辐射量、环境温度和系统结构下的光伏系统年均发电；本发明根据估算地区的水平面太阳辐射月总量历史数据和实际发电量测试数据得到基于纬度信息的模拟方程，变量比较少，工程计算简化，实用性强。
该系统既能准确地实现光伏系统最大功率点跟踪，又使光伏系统对蓄电池输出平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状态，能够提高蓄电池组的荷电水平，使蓄电池长期工作在欠充的状况得以改善，延长蓄电池的总循环寿命，提高光伏发电系统能量利用效率；并且只需当地纬度、光伏系统装机容量和最佳安装倾角等数据，就可估算任意太阳辐射量、环境温度和系统结构下的系统年均发电量，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明独立光伏发电系统构成与原理图；
图2为本发明控制系统主控制电路原理图；
图3为本发明改进的mppt算法流程图；
图4为本发明蓄电池充放电分组管理流程图；
图5为本发明光伏系统发电量估算流程图；
图6为本发明蓄电池恒压限流快速充电过程示意图。
具体实施方式
为对本发明进行更好说明，结合具体的优选实施方式，举实例说明如下：
实例1
改进mppt方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电系统，在晴好天气条件下，太阳光照射到太阳能电池方阵上，太阳能电池将太阳光能转换为电能，主控制器通过电流采集电路和电压采集电路检测光伏方阵的实时输出功率，然后根据mppt算法来调节pwm的占空比d，使光伏方阵工作在最大功率点处；直流电能在主控制器的控制下，经过防反充二极管并通过双向dc/dc转换和输出保护电路给蓄电池组充电；同时，mcu微处理器通过检测回路对电压电流和温度等进行实时采样，计算判断光伏方阵mppt工作状态与蓄电池组充电状态和容量，在蓄电池低容量阶段时，光伏方阵输出电量为蓄电池充电采用恒流与恒压限流充电方式；当蓄电池容量达到75％后，且光伏方阵输出足够电量时，除采用恒压限流充电方式外，还通过提高蓄电池充电接受比尽可能增大逐级限流充电电流，提高蓄电池充电速度，实现光伏方阵mppt方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制，解决蓄电池组长期欠充问题，提高光伏发电系统能量利用效率。用电时，一路通过控制器，由光伏方阵给直流负载供电，当光伏方阵供电不足时，控制器控制蓄电池组放电，用于直流负载；另一路通过控制器与逆变器将直流电转换成通常频率和电压的交流电，再经交流配电系统和输电线路将交流电送给负载供电。所述的光伏发电系统年均发电量估算，本发明提出了基于纬度变量的光伏发电系统年发电量快速估算方法。
所述的改进mppt方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制的光伏发电系统装置包括光伏方阵、控制器、逆变器、储能蓄电池组、阵列支架、交流配电器、输电线缆和用电负载等。控制器分别与光伏方阵、蓄电池组、直流负载和逆变器相连接，逆变器的输出端接交流负载；所述控制器包括32位mcu微处理器、dc/dc转换单元、充电管理单元和放电管理单元。其特征在于：光伏方阵由若干太阳电池组件、防反和旁路二极管、防雷直流汇流箱及缆线等串、并联连接后，通过机械方式固定组合而成；方阵支架由钢制镀锌材料制成，具有足够的刚度、强度以抗风、抗雪等，并牢固的安装在混凝土基础之上；所述主控制器的dc/dc转换电路的直流输入端分别接光伏方阵的输出端正负极，dc/dc转换电路的直流输出端一路接蓄电池和直流负载，另一路接逆变器的输入端；逆变器的输出端接交流负载。
所述控制器包括电压电流温度等采样模块、控制环路、功率驱动模块以及dc/dc转换电路模块。控制环路电路有三个控制环，分别由mcu微处理器发出的三个pwm信号来调节控制。第一路pwm信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵此时输出工作在最大功率点；第二路pwm信号用来调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路pwm信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿等。
其特征在于：所述的pwm控制电路的反馈端与所述的光伏方阵最大功率跟踪器相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出最大功率的脉宽调制信号接所述的直流/直流变换电路中的mosfet开关管vt1控制端；所述的pwm控制电路的反馈端分别与所述的恒压跟踪器和逐级限流与自平衡快充电电流检测跟踪器相连，产生控制所述的dc/dc转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的mosfet开关管vt2控制端，用于向所述的蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；所述的输出保护及驱动电路反馈端与蓄电池放电端相连，产生控制所述的直流/直流转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接所述的直流/直流转换电路的mosfet开关管vt3控制端，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
所述的改进mppt方法，采用基于闭区间套定理的逐步逼近扰动观察算法，闭区间套定理描述如下：若{[an，bn]}是一个闭区间套，则存在唯一实数ξ∈[an，bn]，n＝1，2，3，……，并且
其特征在于具体算法如下：首先设定参考电压ur和扰动步长△u的初值，把扰动步长初值分为n个区间；取扰动步长为初始步长，开始扰动，检测扰动后光伏电池的输出电压u和电流i，计算功率p，与设定的功率做比较，计算出功率变化量△p若△p＞0，则扰动方向不变，以n＝1的区间长度为扰动步长继续扰动，若△p<0，改变振动步长，将扰动步长确定为n＝2区间的长度，扰动方向相反，继续采样光伏电池的输出电压u和电流i，更新输出功率的值，计算△p，来判断扰动方向，如此反复改变，直到n足够大，光伏电池阵列的工作点就会稳定在最大功率点处。该算法的程序流程图如图3所示。
所述的改进mppt方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制方法，即在蓄电池低容量状态，采用恒流与恒压充电方式；当蓄电池容量达75％左右并达到最大允许充电电压时，由于蓄电池的电流接受能力降低，必须降低充电电流，通常采用逐级限流充电，这样继续充电需要较长的充电过程。此时光伏方阵输出电量超过蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量，太阳能将没有得到充分利用，造成浪费，并且可能由于充电速度慢，到最后蓄电池并未充满电。为此应尽可能提高蓄电池充电速度。
以12v蓄电池为例,首先当蓄电池的端电压在14.5v以下时，采用恒流充电。设定充电电流值的大小由蓄电池容量的大小而定，一般为容量的0.1倍，即0.1c。在充电过程中，即时检测蓄电池的端电压，当其端电压达到14.5v时，恒流充电状态结束，充电进入恒压充电状态，恒压充电电压值为14.5v。在恒压充电阶段，充电电流不断减少，充电电压保持不变。这种恒流恒压充电方式没有考虑蓄电池的特性，不符合蓄电池的充电特性曲线，容易造成对蓄电池过充和析气现象，充电效率低。本发明采用改进的mppt方法和蓄电池自平衡快速充电耦合控制方式，可提高光伏充电控制系统效率，实现对太阳能发电能量的充分利用，本发明设计在蓄电池容量达75％后，且光伏方阵输出有足够电量时，通过提高蓄电池的可接受充电电流来实现快速充电。其控制电路结构设计通过加入大电流放电脉冲来提高充电能力；其次，依靠控制电路实时监测光伏系统输出功率和蓄电池的充电电流值，由微处理器实时比较蓄电池的最大可接受充电电流值，改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的最佳充电状态。三阶段恒压限流耦合快速充电示意图如图6所示。
这种充电过程能形成较完整的充电状态，其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状态，能够增加光伏系统的充电效率并延长蓄电池的总循环寿命。
所述的蓄电池自平衡快速充电方法，还具有内部温度补偿、动态过充欠充过放保护功能。蓄电池随温度变化其内部电解液浓度变化而导致其端电压发生变化，因此，本发明测量环境温度对蓄电池作温度补偿。一般12v蓄电池的充电电压维持在25℃时13.5～14.5v之间，蓄电池的浮充电电压为13.8v。当温度变化时的校正系数为：温度每变化10℃，中止电压相应校调整0.2mv。温度补偿系数调节范围0～5mv/℃，优于国标要求的-3～7mv/℃。
所述的一种基于纬度的光伏方阵年均发电量估算方法，包括以下步骤：(1)选取数据：通过选取郑州、灵宝、南阳等14个地区的各个气象站至少20年来各月的太阳总辐射和日照百分率实测的统计数据，得到各月水平面太阳总辐射月均值；
(2)以1kw光伏组件容量为例，最佳安装角度按地理纬度放置，将不同地区的各月水平面太阳辐射量数据，折算到光伏方阵斜面上的太阳总辐射量，再实测出光伏组件表面温度，进行数值模拟计算可以得到1kwp光伏方阵各月发电量；(3)对各月发电量累加可得年均发电量数据，并以地理纬度值做自变量，对年均发电量和所处纬度进行拟合，得到基于地理纬度信息(纬度范围31.62°～36.10°)的光伏发电系统年发电量模型。建立基于地理纬度信息的光伏发电系统年发电量模型。(4)根据步骤(3)建立的模拟方程，依据光伏系统的组件容量和最佳安装倾角，在已知纬度信息条件下就能进行光伏系统年均发电量的估算。
年均发电量与地理纬度值呈近似线性关系，
本发明特点：
采用闭区间套定理的改进型自适应变步长逐步逼近扰动观察法，控制过程中每一个循环都改变步长，其步长为上一次扰动步长的(n-1)/n，比采用定步长的经典干扰观察法具有更高的精度；同时，避免干扰观察法在最大功率点附近振荡，兼顾了稳态和动态性能，提高了工作稳定性。
改进mppt方法与蓄电池自平衡快速充电耦合控制方法，一方面能够最大限度地利用太阳能电池发电效能，提高能量利用率，另一方面又能使蓄电池快速充满电，使长期工作在欠充的状况得以改善，延长蓄电池的使用寿命。较好解决了蓄电池充电快速高效、析出气少、动态过充欠充保护等，使储能蓄电池组安全可靠工作。
本发明根据估算地区的水平面太阳辐射月总量历史数据和发电量模拟测试数据得到基于纬度信息的模拟方程，变量比较少，计算速度快且结果精确，能够提高光伏发电系统的供电安全性和稳定性。实用性强，可用于估算任意太阳辐射量、环境温度和系统结构下的系统年均发电量。工程计算简化，实用性强。
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