I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 8 ,   p p .   377 ~ 389   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v 9 . i1 . pp 3 7 7 - 389          377       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   Po w er Q ua lity A na ly sis  of a G rid - C o nnected   So la r/Wind/Hydr o g en Energ y  H y b rid Genera tion  Sy ste m       Su j it   K u m a B h uy a n 1 ,   P ra ka s h K u m a H o t a 2 B ha g a ba t   P a nd a 3     1, 3 S c h o o o f   El e c tri c a S c ien c e s,  KIIT   Un iv e rsit y ,   Bh u b a n e sw a r,   I n d ia   2 De p a rtme n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   V e e S u re n d ra   S a Un iv e rsity   o f   T e c h n o lo g y ,   Bu rla,  In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   2 3 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Dec   1 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Dec   21 ,   2 0 1 7       A   g rid   c o n n e c ted   h y b rid   g e n e ra ti o n   sy ste m   (H G S c o n sistin g   o f   win d   e n e rg y   c o n v e rsio n   S y ste m   (W ECS )/P h o t o   v o lt a ic  ( P V S y ste m /so li d   o x id e   f u e c e ll   (S OFC)  is  d e sig n e d   a n d   sim u lat e d   b y   u sin g   M a tl a b /S im u li n k .   S OFC  is  th e   re p lac e m e n o f   b a tt e ry ,   a tt a c h e d   to   p r o d u c e   th e   c lea n   e n e rg y   wh e n   t h e se   re n e wa b le  e n e rg y   so u rc e a re   u n a b le  to   p r o d u c e   re q u ire d   a m o u n t   o f   e lec tri c   p o w e r.   A   c o n tro ll e is  u se d   to   re g u late   th e   f lo w   o f   H2   th ro u g h   t h e   v a lv e   to   th e   S OFC  a n d   t h e   re st  a m o u n o f   H2   is  sto re d   in   sto ra g e   tan k .   A lso ,   a n   o p e ra ti o n a c o n tro stra teg y   (OC S is  d e v e lo p e d   t o   u ti li z e   m a x i m u m   a m o u n o f   p o w e o f   P V   to   t h e   re q u ired   l o a d   a n d   re st am o u n o f   p o w e is co m in g   f ro m   w in d   to   f u lf il th e   lo a d   d e m a n d .   He n c e ,   th e   e lec tro l y z e is  su p p l ied   b y   th e   w in d   p o w e to   c o n v e rt  th e   w a t e in   to   H2   a n d   o x y g e n .   A lso   th e   p o w e r   q u a li ty   f a c to ( P QF)  a n a ly sis  is  e x e r c ise d   to   m e a su re   th e   q u a li ty   o f   p o w e tran sm issio n .   K ey w o r d :   P ce ll     W E C S   SOFC   E lectr o ly ze r     Sto r ag T an k   Gr id   Har m o n ic  d is to r tio n   P o w er   q u ali t y   f ac to r         Co p y rig h ©   201 In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Su j it Ku m ar   B h u y a n     Sch o o l o f   E lectr ical  E n g g   E n g in ee r in g ,   KI I T   Un iv er s i t y ,   B h u b an e s w a r ,   I n d ia.   E m ail: s u j ee t.k u m ar 8 4 @ g m ail . co m         1.   I NT RO D UCT I O N   I n   r ec en y ea r s ,   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   ( R E S s )   ar m o r e   ef f ec t iv a n d   p o llu tio n   f r ee .   A l s o ,   th ese   s o u r ce s   ar co n ti n u o u s   a n d   co s f r ee .   No w - a - d a y s ,   th R E Ss   s u ch   a s   w in d   a n d   P ar t h m ai n   s o u r ce s   o f   en er g y ,   w h ic h   ar u s ed   to   f u lf ill  t h p o w er   r eq u ir e m en [ 1 ,   2 ] .   T h n u m er o u s   t y p o f   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce s   s u c h   a s   P V,   w i n d   en er g y ,   w a v e n er g y ,   t id al  en er g y   ar co m b i n ed   w it h   ea c h   o th er   a n d   to   f o r m   a   HGS.   Fo r   th i n s tan ce   h y b r i d   P th er m al  s y s te m s   ar well  d o cu m e n ted   i n   th liter at u r [ 3 ,   4 ] .   Var io u s   s i m u lat io n   m o d els  ar u s ed   f o r   th P an d   w i n d   en er g y   s o u r ce s   an d   th eir   co m b in a tio n   is   k n o w n   as  h y b r id   g en er atio n   s y s te m   [ 5 ,   6 ] .   I n   th h y b r id   m o d els,  FC   an d   b atter y   b an k   ( B B )   ar e   u s ed   as  th s to r ag d ev ices  an d   th ese  s to r ag d ev ice s   s to r th ex ce s s   e n er g y   o f   R E S s   an d   u s ed   to   p r o v id b ac k u p   p o w er   s u p p l y   w h en   t h e   p o w er   d ef icit  o cc u r s   o r   at  th ti m w h e n   n o   g en er atio n   o cc u r s   b y   t h R E S s   d u to   th b ad   atm o s p h er ic   co n d itio n s   ( w h e n   P o r   w i n d   p o w er   is   n o t   av ai lab le) .   So ,   i is   n ec es s ar y   to   k ee p   a n   e n er g y   s to r ag e   s y s te m   ( E SS )   as  d escr ib ed   in   [ 7 - 9 ] .   Fu r t h er ,   s ec o n d ar y   en er g y   s o u r ce   is   n ec ess ar y   f o r   t h i m p r o v e m e n o f   th e   HGSs .   T h er e f o r e,   F C   i s   e s s e n tial   to   co n n ec t   w it h   t h e   elec t r o ly ze r .   T h e n ,   t h is   co m b i n atio n   g i v es   co n ti n u o u s   en er g y   s u p p l y   to   th co n s u m e r .   A   b etter   p o w er   m a n a g e m e n t   s tr ateg y   i s   th co m b i n atio n   o f   w i n d   an d   P w ith   th F C   w h ic h   a s s o ciate s   w it h   elec tr o l y ze r   a n d   b atter y   s to r ag e.   T h is   tec h n iq u e   p r o v id es  b etter   r eliab ilit y   f o r   th e n er g y   r eq u ir e m en [ 1 0 - 1 2 ] .     I n   [ 1 3 ] ,   n o v el  HG co m b in atio n   o f   P V/ w i n d /F C   is   m o d eled   an d   d esig n ed .   A l s o   n o v el   MP P T   tech n iq u is   u s ed   to   p r o d u ce   m ax i m u m   e n er g y   a n d   s atis f y   t h p o w er   d e m a n d   o f   th e   r e m o te  ar ea s .   A   F C   p r o v id es  clea n   en er g y   an d   lo w   p o ll u ti o n also   it  g i v es  th r eq u ir ed   en er g y   s o u r ce s   b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   377     3 8 9   378   tak i n g   h y d r o g e n   as   f u el.   S o   FC   is   av ailab le   co m m er cia ll y   f o r   t h b ac k u p   g e n er atio n   in   t h HG S.  T h e   s tan d alo n H GS  i.e   W E C S/P V/FC   co n v er ts   s o lar   as  w el as   w i n d   p o w er   in   to   elec tr icit y   w h ic h   ca n   b u s ed   i n   d o m e s tic  p u r p o s es.  T h Ma x i m u m   en er g y   o f   t h P [ 1 4 - 1 6 ]   an d   w i n d   [ 1 7 ]   ca n   b tr ac k ed   b y   u s i n g   t h e   h ig h l y   ac cu r ate  MP P T .   As  f ar   as  t h co m p o n e n ts   o f   t h h y b r id   en er g y   s y s te m s   ar co n ce r n ed ,   Sar r ias - Me n a,   et  al   [ 1 8 ]   h av e   p r esen ted   th elec tr o l y ze r   m o d els  f o r   h y d r o g en   p r o d u ctio n   f r o m   w i n d   en er g y   S y s te m s .   Mo d elin g   an d   a n al y s is   o f   MW - le v el   g r id - co n n ec ted   P p lan t   h a s   b ee n   p r esen ted   b y   L ei,   e al   [ 1 9 ] .   A   MA T L A B - s i m u li n k - b ased   P m o d u le  m o d el  a n d   its   ap p licatio n   u n d er   co n d itio n s   o f   n o n - u n if o r m   ir r ad ia n ce   h av e   b ee n   b y   d is cu s s ed   b y   Di n g ,   et  al  [ 2 0 ] .   A lta s ,   et  al  [ 2 1 ]   h av d es cr ib ed   p h o to v o ltaic  ar r ay   s i m u latio n   m o d el  f o r   MA T L A B   S i m u li n k   GUI   e n v ir o n m e n t.  Fu r t h er ,   Uzu n o g le,   et  al   [ 2 2 ]   h av p r ese n ted   s tatic  V AR   co m p e n s ato r   b ased   r ea ctiv p o w er   m a n ag e m e n s c h e m f o r   SOFC   p o w er   p lan ts .   Gr id   co n n ec ted   f u el  ce ll  an d   P h y b r id   p o w er   g e n er atin g   s y s te m   d esi g n   w it h   Ma tlab   Si m u lin k   h a s   b ee n   p r esen ted   b y   B ay r ak ,   et  al  [ 2 3 ] .   R ec en t l y ,   Mo li n a,   et  al  [ 2 4 ]   h av d ev elo p ed   m o d elin g   a n d   s i m u lat io n   o f   g r id - co n n ec ted   p h o to v o ltaic  en er g y   co n v er s io n   s y s te m s   a n d   d e m o n s tr ated   it s   e f f ec ti v en e s s .   Als o   co n tr o s tr ate g y   is   d ev elo p ed   f o r   th e   w i n d   an d   f u e ce ll  co n n ec ted   to   g r id   a s   w ell  as  p o w er   m a n a g e m en s tr ate g y   is   d e v elo p ed   f o r   th h y b r id   s y s te m   d escr ib ed   in   [ 2 5 ]   an d   [ 2 6 ] .   T h q u alit y   o f   p o w er   tr an s f er   ca n   b d eter m in ed   b y   s i n g l in d icato r   r an g i n f r o m   ze r o   to   o n k n o w n   a s   p o w er   q u al it y   f ac to r   ( P QF)   f o r   th 3 - Ø  s u p p l y   a n d   th is   s u p p l y   is   co n n ec ted   to   th e   lo ad   as  d escr ib ed   in   [ 2 7 ] .   So   it  ca n   b m en t io n ed   t h at  t h p o w er   tr an s f er   q u alit y   is   lo w   d u to   th e   h ar m o n i c   co n ten t   i n   s u p p l y   v o lta g e,   n o n li n ea r   lo ad   an d   u n b alan ce d   v o ltag e   s u p p l y   o r   ca u s ed   d u e   to   b o th   o f   t h e m .   A cc o r d in g   to   th e   r ef .   [ 2 7 ] ,   in   d is tr ib u tio n   n et w o r k ,   s u g g ested   P QF  d eter m in e s   t h q u a lit y   o f   p o w er   at  a n y   p o in t b y   t h h elp   o f   s i n g le  in d i ca to r   w it h o u t ta k i n g   m a n y   f ac t o r s   an d   th eir   v al u es.    An   atte m p h as  b ee n   m ad in   th is   p ap er   to   d esig n   an d   a n al y ze   HGS  a s s e m b li n g   P V,   w i n d ,   SOF C ,   elec tr o l y ze r   an d   s to r ag tan k   co n n ec ted   to   g r id .   I d escr ib es   d etailed   m o d elin g   o f   ea ch   co m p o n en in cl u d in g   s to r ag ta n k   w h o s d etai led   m o d eli n g   i s   n o a v ail ab le  in   t h li ter atu r a n d   al s o   t h co n tr o s tr ateg y   is   w ell   ex p lain ed .   F u r t h er ,   th p o w er   q u alit y   an a l y s is   i s   d o n b r ief l y   i n   t h is   p ap er .   Fi n all y   t h e f f ec tiv e n e s s   o f   th e   p r o p o s ed   s y s te m   is   v er if ied   u n d er   s ev er al  co n d itio n s   a n d   s i m u latio n   r es u lt s   ar p r es en ted .         2.   E XP L A NAT I O O F   G R I CO NNEC T E H YB RID G E NE RAT I O SYS T E M   T h d etailed   m o d el  o f   HG i s   r ep r esen ted   in   Fi g u r 1 .     h y b r id   m o d el  h a v in g   P V/ w i n d   en er g y   g en er atio n   s y s te m   i s   d esi g n e d   an d   s i m u lated   a n d   co n n ec t ed   w it h   t h SO FC   f o r   th b a ck u p   p o w er   s u p p l y   w h e n   th er i s   n o   p o w er   s u p p l y   f r o m   w i n d   an d   P V.   I n   th HGS,   SOF C   ta k es  t h H2   as  f u e f o r   t h b ac k u p   p o w er   g en er atio n   an d   th i s   H2   is   p r o d u ce d   b y   th elec tr o l y z er   w h e n   t h w a ter   is   d iv id ed   in to   t w o   h alv e s   ( H2   an d   Ox y g e n )   th r o u g h   t h ele ctr o ly s is   p r o ce s s   in   t h elec tr o ly ze r .   T h elec tr o ly ze r   o p er ates  b y   tak i n g   t h ex ce s s   a m o u n o f   elec tr ical  p o w er   f r o m   th P V/ w i n d   g en e r atio n .   T h a m o u n o f   H2   f lo w   to   t h SO FC   is   co n tr o lled   b y   t h f u el  ce ll c o n t r o ller   an d   th r est a m o u n t o f   H2   is   s to r ed   in   th s to r ag tan k .             Fig u r e   1 .   Gr id   co n n ec ted   H y b r id   Gen er atio n   S y s te m   ( Deta il ed   Mo d el) .         T h r e e   P h a s e   S o u r c e B D i s t r i b u t e d   P a r a m e t e r         l i n e     C i r c u i t   B r e a k e r B           T h r e e   P h a s e     T r a n s f o r m e r H y b r i d   G e n e r a t i o n   S y s t e m B   C i r c u i t   B r e a k e r   C i r c u i t   B r e a k e r T h r e e   P h a s e   L o a d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P o w er Qu a lity A n a lysi s   o f a   Gri d - C o n n ec ted   S o l a r /Wi n d /Hyd r o g en   E n erg y   Hyb r id   (   S u jit K u ma r   B h u ya n )   379   I n   t h m o d el  o f   H GS  m a x i m u m   en er g y   ca n   b tr ac k ed   b y   th e   h e lp   o f   MP P T   f r o m   t h P an d   W E C S.  T h en   th e s en er g ies  a r s u p p lied   to   th b o o s co n v e r ter   to   en h an ce   t h D C   v o lta g lev el.   Hen ce ,   t h is   b o o s ted   DC   v o ltag is   ap p lied   to   th in v er ter   ( DC / AC   C o n v er ter )   to   co n v er t D C   v o lta g t o   A C   v o ltag e.   T h s tr ateg y   o f   t h p o w er   m a n ag e m e n o f   t h HG is   co n s i d er ed   to   m ax i m ize  th p o w er   d eliv er y   to   th lo ad   at  th ti m o f   b ad   w ea t h er   an d   g eo g r ap h ical  co n d itio n s .   Hen ce ,   th p r o p o s ed   HGS  o f f er s   clea n   o u tp u t p o w er   t h at  co m p e n s ate s   lo ad   d em a n d .       3.   DE T AI L E E XP L ANA T I O O F   P M O DE L   Fo r   d esig n i n g   th e   P m o d el  b asicall y   Si n g le - d io d o r   t w o - d io d m o d els  ar e   b r o ad ly   u s ed .   Mo s tl y   s in g le - d io d m o d el  is   m o r ap p r o p r iate  to   u s as  d escr ib ed   in   [ 1 9 - 2 1 ] .   T h d esig n in g   o f   P m o d el  is   d o n b y   ap p ly i n g   th E q u a tio n   ( 1 ) .   T a b le  1   s h o w s   th p ar a m eter s   o f   th P m o d u le.     V pv = N s akT q ln [ I sc I pv + N p N p I o ] N s N p R s I pv               ( 1 )     P ar am eter s   ar ta k e n   f o r   m o d elin g   o f   t h P s y s te m   s u ch   a s ,   I 0   is   th e   r ev er s s atu r atio n   cu r r en o f   P m o d el  in   [ A ] ,   I SC   i s   th s h o r t - cir cu it P ce ll c u r r en t in   [ A ] ,   I P V/I p h     is   th o u tp u c u r r en o f   P V   m o d el  i n   [ A ] ,   k   i s   th b o ltz m an n s   co n s ta n in   [ J /o K] ,   is   th co m p letio n   o r   id ea lit y   f ac t o r ,   q   is   th e lectr o n   ch ar g in   [ C ] ,   R P   i n   t h p ar all el  r esis ta n ce   o f   t h P m o d el  in   [ ] ,   R S i n   t h s er ies r e s is ta n ce   o f   P m o d el  i n   [ ] , NS  is   th e   n o .   o f   ce lls   ar co n n ec ted   i n   s er ie s   in   s tr i n g   o f   th P m o d el,   NP   is   th e   n o .   o f   p ar allel  s tr i n g s ,   T   is   th e   te m p er at u r i n   [ K] ,   VP is   t h ter m i n al  v o lta g o f   th e   P m o d el   in   v o lt  i n   [ V] ,   VM P   i s   th e   m ax i m u m   p o w er   o f   t h P ce ll in   v o lt i n   [ V] ,   VOC i s   th o p en - cir c u it v o lta g o f   t h P ce ll in   v o lt i n   [ V]   I n   th P s y s te m   m a x i m u m   p o w er   o u tp u d ep en d s   u p o n   t h lo ad   cu r r en as   w ell  as  s o lar   r ad iatio n .   So   co n tr o tech n iq u e s   i s   e m p lo y ed   to   tr ac k   th e   m ax i m u m   a m o u n t o f   p o w er   f r o m   th e   P s y s te m   is   k n o w n   a s   MP PT   ac c o r d in g   to   [ 1 4 - 1 6 ] .   I n   th i s   liter at u r P & tech n iq u is   u s ed   f o r   th MP PT .       T ab le  1   P ar am eter s   o f   P h o to v o ltaic  ( P V)   Sy s te m   S p e c if ica ti o n   Va lu e   No .   o f   se ries   c o n n e c ted   P V ce ll   96   No .   o f   M o d u les   in   p a ra ll e l   66   No .   o f   M o d u les   in   se ries   05   Op e n   c ircu it   v o lt a g e (V OC )   6 4 . 2   V   S h o rt   c ircu it   c u rre n t(I SC )   5 . 9 6   A   M a x i m u m     P o w e o f   P V ce ll   305W   T e m p e r a tu re (T )   25   Irra d ian c e   1 0 0 0       4.   DE T AI L E R E A L I Z A T I O O F   WE CS   Kin etic   E n er g y   ( KE )   o f   th e   w i n d   i s   co n v er ted   i n to   m ec h a n ical  e n er g y   b y   m ea n s   o f   b la d es  o f   t h e   w i n d   tu r b in e,   t h en   g e n er ato r   is   co n n ec ted   to   th w i n d   tu r b in to   co n v er ts   m ec h an ical  en er g y   to   elec tr ica l   en er g y .   So ,   r elatio n s h ip   is   e s tab lis h ed   in   b et w ee n   th w i n d   s p ee d   an d   m ec h a n ical  p o w e r   w h ic h   is   d escr ib ed   b elo w :     P M = 1 2 ρ A V w 3 C P                   ( 2 )     P ar am eter s   ar ta k e n   f o r   m o d elin g   o f   t h W E C s u ch   a s ,   P is   t h m ec h a n ical  p o w er   in   [ W ] ,   ρ   is   th air   d en s it y   i n   [ kg m 2 ] ,   A   is   t h S w ep ar ea   in   [ m 2 ] ,   V w   is   t h e   w i n d   s p ee d   in   [ m s ] ,   C P   is   th p o w er   co ef f icie n t o f   w in d   t u r b in e,   λ T   is   th s p ee d   r atio ,   β is   th p itch   an g le  o f   t h b lad ,   w m     is   th s p ee d   o f   th e   tu r b in e,   R T   is   t h b lad r ad iu s ,   C P   is   th f u n ctio n   o f   λ T   an d   β  an d   c an   b r ea lized   as  C P ( λ T , β ) .    W h er λ T = w m R T V w .   T h co ef f icie n o f   p o w er   C p   d ep en d s   o n   t h λ T .   T o   ca p tu r e   m a x i m u m   p o w er ,   w i n d   tu r b i n is   r u n   f o r   ce r tain   v al u o f   w i n d   s p ee d .   T h m a x i m u m   v al u o f   t h C P   is   0 . 5 9   ac co r d in g   to   th B etz  li m it [ 1 1 ] .   T o   ex tr ac th e   m ax i m u m   p o w er   f r o m   t h W E C co n tr o tech n iq u i s   e m p lo y ed .   B asic all y ,   P & O   tech n iq u is   u s ed   i n   th MP P T   f o r   th W E C S a cc o r d in g   to   [ 1 7 ] .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   377     3 8 9   380   5.   DE T AI L E M O DE L   O F   E L E C T RO L Y Z E R   An   elec tr o l y ze r   co n s i s ts   o f   t h n o .   o f   s er ies - co n n ec ted   ce ll s .   T w o   elec tr o d es  ar p r esen t ed   in   t h e   elec tr o l y ze r   an d   s ep ar ated   b y   a n   elec tr o l y te.   W ater   ( H2 O)   is   d ec o m p o s ed   in to   H2   an d   o x y g en   i n   t h e   elec tr o l y ze r   w h e n   th c u r r en t i s   p ass ed   th r o u g h   it a cc o r d in g   t o   [ 2 ,   1 8 ] .   T h elec tr o ch e m ical  r ea ctio n   o f   H2 is   g i v e n   b elo w :     H 2 O ( I ) + e l e c tr ic a l   e n e r gy = H 2 ( g ) + 1 2 O 2 ( g )           ( 3 )     P ar am eter s   ar tak e n   f o r   m o d elin g   o f   t h elec tr o l y ze r   s u c h   as,  ie  i s   t h c u r r en o f   a n   elec tr o ly ze r   i n   [ A ] ,   n   is   t h n o .   o f   elec tr o l y ze r   ce ll s   co n n ec ted   i n   s er ies,  n H2   i s   th e   h y d r o g en   g e n er atio n   i n   m o les  p er   s ec o n d   in   t h   [ m o l   s −1 ] ,   F is   t h f ar ad a y   co n s ta n t i n   th [ C   k m o l−1 ] ,   η F is   t h Far ad a y   e f f i cien c y .     H2   is   p r o d u ce d   b y   th elec tr o l y ze r   an d   r ate  o f   it s   p r o d u ctio n   d ep en d s   u p o n   t h c u r r en f lo w   t h r o u g h   it g i v en   i n   Far ad a y s   la w   [ 1 2 ] .     nH 2 = n F n c i e 2F                   ( 4 )     Far ad ay   e f f icie n c y   i s   n o ted   as  th r atio   o f   ac tu al  p r o d u ctio n   o f   H2   to   its   th eo r etica l v a lu e.     ƞ F = 96 . 5 e ( 0 . 09 i e 75 . 5 i e 2 )                 ( 5)     W ith   th h elp   o f   E q u atio n   ( 4 )   an d   ( 5 )   an   elec tr o ly ze r   is   d esi g n ed   b y   u s i n g   Ma tlab - Si m u l in k   s o f t w ar e.       6.   DE T AI L E M O DE L L I N G   O F   ST O RA G E   T ANK   T h g en er atio n   o f   H2   f r o m   th elec tr o ly ze r   ca n   b k ep in   s to r ag tan k   f o r   th f u t u r u s e.   B asicall y   th r ee   m et h o d s   ar ap p licab le  t o   s to r th H2 ,   th ese  ar ( a)   h ig h - p r es s u r g a s   in   co m p r es s e d   f o r m ,   ( b )   liq u id   s to r ag a n d   ( c)   h y d r o g en   ab s o r b in g   m ater ial s .   T h H2   is   s to r ed   in   co m p r es s ed   h ig h   p r es s u r g aseo u s   f o r m   f o r   th d o m esti ap p licatio n .   E q u atio n   ( 6 )   is   co n s id er ed   f o r   th d esig n i n g   o f   h y d r o g e n   s to r ag tan k   ac co r d in g   to   [ 1 1 ] .       P b P bi = z NH 2 R T b MH 2 V b                 ( 6)     P ar am eter s   ar tak e n   f o r   m o d elin g   o f   th SO FC   s u c h   as,  Z   is   t h p r ess u r co m p r ess ib ilit y   f ac to r ,   NH2   is   th e   a m o u n t   o f   h y d r o g en   s to r ed   in   t h s to r ag ta n k   i n   m o le s   p er   s ec o n d   in   th [ k m o s −1 ] ,   MH 2   is   th e   H y d r o g en   m o lar   m as s   in   [ k g   k m o l−1 ] ,   T b   is   o p er atin g   te m p e r atu r in   [ o K] ,   P b is   th s to r a g tan k   p r ess u r at   in itial   s ta g e   in   [ P a] ,   P b   is   th e   s to r ag e   tan k   p r ess u r i n   [ P a] ,   R   is   th e   R y d b er g /U n i v er s al  g as   co n s ta n t   i n   [ J   ( k m o l o K)   −1 ] ,   Vb   is   th s to r ag tan k   v o l u m in   [ m 3 ] .       7.   DE T AI L E M O DE L L I N G   O F   SO F C   SOFC   is   u s ed   to   co n v er t   ch e m ical   en er g y   o f   f u el   ( m e th a n o l,  h y d r o g e n ,   g a s o lin e,   n a tu r al  g a s   a n d   m an y   m o r e)   i n to   an   elec tr ical  p o w er .   A l s o ,   th f u el  ce ll s   p r o v id clea n   e n er g y   an d   n o   e m is s io n s .     P ar am eter s   o f   th e   SO FC   w h ic h   ar u s ed   to   d ev elo p   t h m at h e m a t ical  m o d el  ac co r d in g   to   [ 2 2 ]   s u ch   as,  B   an d   C   is   th ac tiv atio n   v o lta g co n s ta n ts   i n   SOF C   s y s te m   in   [ V] ,   C is   th c o n v er s io n   f ac to r   in   [ Hy d r o g en   ( km o h ) Methen   ( km o h ) ] ,   E 0   is   th n o r m al  n o   lo ad   v o ltag in   [ V] ,   E   is   th n er n s i m m ed iate  v o ltag i n   [ V] ,   is   t h Fa r ad ay s   co n s ta n in   [ C   ( k m o l - 1 ) ] ,   I FC   is   th f ee d b ac k   cu r r en o f   SOFC   i n   [ A ] ,   k 1   is   th g ain   o f   P I   ( p r o p o r tio n al - in te g r al) ,   Kan   is   th an o d v al v co n s ta n t   in   [ k mol   kg ( a tm   s ) 1 ] ,   Kr   is   th m o d elin g   co n s ta n i n   [ k m o l   S A - 1 ] ,   KH 2 is   t h m o lar   co n s ta n o f   wate r   v al v i n   [ k m o l   ( at m   s - 1 ) ] ,   KH2   is   th e   m o lar   co n s ta n o f   h y d r o g en   v a lv in   [ k m o l   ( at m   s - 1 ) ] ,   KO2   is   t h m o lar   co n s tan t   o f   o x y g e n   v al v i n   [ k m o ( at m   s - 1 ) ] ,   MH 2   is   th h y d r o g en   m o l ar   m a s s   i n   [ k g   k m o l - 1 ] ,   P H2 is   th w ater   f r ac tio n al  p r ess u r in   [ at m ] ,   P H2   is   th h y d r o g e n   f r ac tio n a l p r ess u r in   [ at m ] ,   P O2   is   th e   o x y g e n   f r ac tio n a l p r ess u r i n   [ at m ] ,   N0   is   t h n o .   o f   f u el   ce lls   ar in   s er ie s   in   s tac k ,   q H2   is   th m o lar   f lo w   o f   h y d r o g en   i n   [ k m o ls - 1 ] ,   q m eth a n e     is   th m et h a n e   f lo w   r ate  in   [ k m o ls - 1 ] ,   q O2     in   th i n p u m o lar   f lo w   o f   o x y g en ,   [ k m o l s - 1 ] ,   q H2 in     is   th in p u f lo w   o f   h y d r o g e n   in   [ k m o l s - 1 ] ,   q H2 0 ut   is   th   h y d r o g en   o u tp u f lo w   in   [ k m o ls - 1 ] ,   q H2 r   is   th h y d r o g en   f lo w   a m o u n t h at  r ea cts in   [ K m o l s - 1 ] ,   q H2 r eq   is   th h y d r o g en   f lo w   a m o u n t th a m ee t s   lo ad   ch an g i n   [ k m o l s - 1 ] ,   R     is   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P o w er Qu a lity A n a lysi s   o f a   Gri d - C o n n ec ted   S o l a r /Wi n d /Hyd r o g en   E n erg y   Hyb r id   (   S u jit K u ma r   B h u ya n )   381   r y d b er g   ( U n i v er s al)   g as  co n s t an i n   [ ( 1 at m )   ( k m o K)   −1 ] ,   R in is   th e   in ter n al  r es is ta n ce   o f   SO FC   i n   [ ] ,   T   is   th ab s o lu te  te m p er atu r i n   [ K ] ,   is   th u ti lizatio n   r ate, Va n   is   th v o lu m o f   t h an o d in   [ m 3 ] ,   Vce ll    is   th SOF C   d o u tp u v o ltag i n   [ V] ,   τ 1   ,   τ 2   is   th r ef o r m er   ti m c o n s ta n ts   i n   [ s ] ,   τ 3   is   th P I   co n tr o ller   tim e   co n s ta n t in   [ s ] ,   τ H2   in   t h h y d r o g e n   ti m co n s ta n t,   [ s ] ,   τ H2 O   is   t h w ater   t i m e   co n s tan in   [ s ] ,   τ O2   is   t h e   o x y g en   ti m co n s tan i n   [ s ] ,   Z ac is   t h ac tiv atio n   o v er   v o l tag in   [ V] ,   Z o h m ic  is   t h o h m ic  o v er   v o lta g in   [ V] .   T h r atio   o f   m o lar   f lo w   h y d r o g en   t h r o u g h o u th e   v al v e   t o   th h y d r o g e n   p ar tial  p r ess u r i n   t h e   ch a m b er   m a y   b w r itte n   as [ 2 2 ] :     q H2 P H2 = K an M H2 = K H2                 ( 7 )   T h r ee   m aj o r   asp ec ts   ta k en   i n t o   co n s i d er atio n   f o r   t h m o lar   f lo w   o f   h y d r o g en   ar ( a)   i n p u f lo w   o f   h y d r o g e n ,   ( b )   o u tp u t f lo w   o f   h y d r o g e n   a n d   ( c)   h y d r o g en   f lo w   d u r i n g   th r ea ctio n .     Hen ce ,   th E q u a tio n   ca n   b w r itten   as :     d dt p H2 = RT V an ( q H2 in q H2 o ut q H2 r )               ( 8 )     T h r ea cted   h y d r o g en   f lo w   d e p en d s   u p o n   th f u el  ce ll  c u r r e n a n d   th r ate  o f   f lo w   o f   h y d r o g en .   T h E q u atio n   o f   r ea cted   h y d r o g e n   f lo w   r ate  is   s h o w n   b elo w .     q H2 r = N 0 I FC 2F = 2 K r I FC                 ( 9)     B y   co n s id er in g   th E q u at io n s   ( 7 )   an d   ( 9 )   an d   tak in g   L ap la ce   T r an s f o r m   o f   th ese  E q u a ti o n s ,   th e n   p ar tial p r ess u r o f   h y d r o g en   i s   d eter m i n ed   as:     P H2 = 1 K H2 1 + τ H2 s ( q H2 in 2 K r I Fc )               ( 10)     W he r e ,   τ H2 = V an K H2 RT                 ( 11)     I n   th is   m a n n er   p ar tial   p r ess u r es  o f   w ater   an d   o x y g e n   ar d eter m i n ed .   Hen ce ,   p o lar izatio n   c u r v o f   th SOF C   is   f o u n d   o u f r o m   th s u m m atio n   o f   th o h m i o v er   v o ltag e,   ac tiv atio n   o v er   v o ltag an d   th e   Ner n s t s   v o lta g e.   A   co n s ta n ass u m p tio n   is   tak e n   f o r   th e   o x y g e n   co n ce n tr atio n   an d   te m p er atu r an d   h e n ce ,   th SO FC   o u tp u t v o lta g ca n   b d eter m i n ed   as:     V cel l = E + ƞ act +                 ( 12)     W he r e ,   ƞ act = B l n ( C I FC )               ( 13)     A n   ƞ o hm i c = R i n t I FC               ( 14)     Hen ce ,   th Ner n s t s   v o lta g can   b s tated   as :     E = N O [ E O + RT 2F l og [ P H2 P O2 P H 2 O ] ]               ( 15)     T o   co n tr o th r eq u ir ed   a m o u n o f   H2   f lo w   to   th e   SOF C   ac co r d in g   to   o u tp u p o w er   o f   S OFC ,   a   P I co n tr o ller   is   tak en   i n to   co n s id er atio n .   A   f ee d b ac k   co n tr o s tr ateg y   i s   ac h ie v ed   b y   tak i n g   S OFC   o u tp u cu r r en t   f ee d b ac k   to   th e   cu r r e n i n p u t   t er m in a o f   SO FC .   So ,   a v ailab i lit y   o f   h y d r o g en   in   h y d r o g e n   ta n k   i s   e x p r ess ed   as [ 2 2 ] :     q H2 r eq = N O I FC 2 F U                   ( 16)     A   5   KW   SOF C   is   d e v elo p ed   b y   tak in g   t h p ar a m eter s   as r ep r esen ted   in   T ab le  2   an d   d etailed   m o d el  o f   SO FC   is   d e v elo p ed   w i th   t h h elp   o f   Ma tlab /Si m u li n k   a cc o r d in g   to   [ 2 3 ] .   I n   th is   p ap e r   f o u r   n o .   o f   5   KW   SOFC   ar tak en .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   377     3 8 9   382   T ab le  2   P a rti c u lars   o f   S OFC  to   d e v e lo p   th e   m a th e m a ti c a m o d e li n g   S p e c if ica ti o n s   Va lu e   A c ti v a ti o n   v o lt a g e   c o n sta n (B)   0 . 0 4 7 7 7   [ A - 1 ]   A c ti v a ti o n   v o lt a g e   c o n sta n (C)   0 . 0 1 3 6   [V]   Co n v e rsio n   f a c to (C V )   2   F a ra d a y ’s co n sta n (F )   9 6   4 8 4   6 0 0   [ Ck m o l - 1 ]   F sy st e m   in tern a re sista n c e   (R i nt )   0 . 2 6 6 6 4   [Ω ]   F a b so l u te t e m p e ra tu re   (T )   3 4 3   [ K ]   H y d ro g e n   ti m e   c o n sta n ( 2 )                                           3 . 3 7   [ s ]   H y d ro g e n   v a lv e   c o n sta n (K H2 )   4 . 2 2   x 1 0 - 5   [ k m o (s atm ) - 1 ]   H y d ro g e n o x y g e n   f lo w   r a ti o (r H2O   1 . 1 6 8   Kr co n sta n = N 0 / 4 F   2 . 2 8 0 2   x   1 0 - 7   [ k m o (s A ) - 1   L in e   re a c tan c e   (X )   0. 0 8 0 9   [ ]   M e th a n e   re f e re n c e   sig n a (Q m e t h r e f   )   0 . 0 0 0 0 1 5   [ k m o s - 1 ]   No   lo a d   v o lt a g e   (E o )   1 . 1 8   [V]   Nu m b e o f   c e ll s (N o )   88   Nu m b e o f   sta c k s (N S )   1   Ox y g e n   ti m e   c o n sta n ( 2 )   6 . 7 4   [ s ]   Ox y g e n   v a lv e   c o n sta n t,   (k O2 )   2 . 1 1   x 1 0 - 5   [ k m o (s atm ) - 1 ]   P I   g a in   c o n sta n (k 1 )   0 . 2 5   Re f o r m e ti m e   c o n sta n ( 1   ,   2 , 3 )   1 5   [ s ]   Un iv e rsa g a s c o n sta n (R)   8 3 1 4 . 4 7   [ J   k m o lK - 1 ]   Util iza ti o n   f a c to (U)   0 . 8   W a ter t i m e   c o n sta n ( 2 )   1 8 . 4 1 8   [ s ]   W a ter  v a lv e   c o n sta n (K H2O )   7 . 7 1 6 10 - 6   [ k m o (s atm ) - 1 ]       8.   I NT E RNA L   ARR AG E M E NT   O F   H YB RID G E NE RAT I O SYST E M   T h d etailed   m o d el  o f   p r o p o s ed   HGS  is   s h o w n   in   Fi g u r 1   w h er ea s t h i n ter n al  m o d el  d iag r a m   i s   r ep r esen ted   in   Fi g u r 2 .   I n   Fi g u r 2 t w o   R E Ss   ar s h o w n ,   o n e   o f   t h e m   is   P s y s te m   an d   an o t h er   o n is   W E C S.  A   P s y s te m   tr ac k s   t h m ax i m u m   p o w er   f r o m   th e   s u n   b y   m ea n s   o f   MP P T   w h er as,  W E C u til izes  th k i n etic   en er g y   o f   t h w i n d   an d   co n v er ts   t h is   i n to   elec t r ical  p o w er   b y   t h h elp   o f   M P PT.   T h elec tr ical   p o w er   co m i n g   f r o m   t h P s y s te m   is   g i v e n   to   DC - D C   b o o s co n v er ter   to   e n h a n ce   th e   v o ltag e.   T h s a m e   p r in cip le  is   h ap p en i n g   in   t h W E C S.  I n   W E C S,  as  s h o w n   i n   Fi g u r 2 a,   V w i n d _ ac   is   ap p lied   to   th AC - D C   co n v er ter   w h er e,   AC   v o lta g i s   co n v er ted   to   th DC   v o lta g e   an d   th is   DC   v o ltag is   ap p lie d   to   DC - DC   b o o s t   co n v er ter   to   en h a n ce   th v o lta g lev el.   T h DC - DC   b o o s co n v er ter s   e m p lo y ed   in   W E C S   an d   P s y s te m   ar e   tr ig g er ed   b y   th p u l s es  g e n er ated   f r o m   t h MP PT .   T h ese  MP PT s   a r u s ed   in   W E C an d   P s y s te m s .   A s   g iv e n   in   Fi g u r 2 a,   t h e n h a n ce d   v o ltag e s   o f   t h b o t h   D C - DC   co n v er ter s   o f   th e   W E C S   an d   P s y s te m   ar ap p lied   to   DC - A C   co n v er ter   t o   co n v er t D C   v o ltag to   AC   v o ltag e.   T h is   DC - AC   co n v er ter   is   tr ig g er ed   b y   g ate   p u ls g en er ated   b y   th e   co n tr o tech n iq u o f   t h v o ltag s o u r ce   co n v e r ter   ( VSC ) .   T h is   c o n tr o tech n iq u o f   VSC   is   e m p lo y ed   to   s y n c h r o n ize  th v o lta g es  o f   t h g r id   an d   HGS.   T h ex tr am o u n o f   p o w er   f r o m   th e   W E C an d   P i s   u tili ze d   f o r   th H2   p r o d u ctio n   b y   th e   ele ctr o ly ze r   a n d   t h H2   f u r th er   ac ts   as   th e   in p u o f   SOFC   a s   f u el.   Ag ai n   D C - DC   co n v er ter   is   co n n ec ted   to   t h SO FC   to   e n h a n ce   t h v o lta g lev e l o f   SO FC   a s   s h o w n   i n   Fi g u r 2 b .   A   VS C   is   u s ed   to   s y n c h r o n ize  t h v o ltag e s   b et w ee n   g r id   an d   s y s te m .   T h co n tr o tech n iq u ap p lied   to   VSC   is   d i v id ed   in to   t w o   p ar ts   a s   d escr ib ed   b elo w .   DC - Lin vo lta g co n tr o ller     T h DC - li n k   v o lta g r eg u la te s   th d esire d   v al u o f   th ac ti v p o w er .   T h en   id *   is   t h o u t p u o f   th e   DC - li n k   P I   co n tr o ller   ta k e n   as  t h r ef er e n ce   o f   th e   ac ti v cu r r en t   co n tr o ller   ( cu r r en t   P I   co n tr o ller )   an d   r ep r esen ted   in   Fi g u r 2 c.     I n tern a l c u r r en t lo o p   T h S y n c h r o n o u s   R ef er e n ce   Fra m ( d −q   co n tr o l)   tr an s f o r m s   th g r id   v o lta g e s   ( Va,   Vb ,   Vc)   to   Vd   an d   Vq   as   w ell  a s   g r id   c u r r en t s   ( ia,   ib ,   ic)   to   id   a n d   iq   r e f er e n ce   f r a m e   th a r o tates  s y n c h r o n o u s l y   alo n g   w i th   g r id   v o lta g e.   Vd ,   Vq ,   I d   an d   I q   ar th DC   v al u e s   o b tain ed   b y   t h h elp   o f   d - q   co n tr o ller ,   also   th e s DC   v al u e s   ar ea s ier   f o r   d esig n i n g   an d   c o n tr o llin g .   Gr id   v o lt a g ( Va,   Vb ,   Vc)   r eg u late s   P L L   ( P h ase   L o ck   L o o p ) ,   h en ce   th p h ase  a n g le  is   o b tain ed   an d   u s ed   in   d −q   co n tr o ller   f o r   ab →  d q   tr an s f o r m atio n .   As  s h o w n   i n   Fi g u r 2 c,   th r ef er en ce   r ea ctiv c u r r en iq *   i s   s et  to   ze r o   an d   ap p lied   t o   cu r r en P I   co n tr o ller .   Hen ce ,   p f   ( p o w er   f ac to r )   is   p r eser v ed   to   b o n ( U n it y ) .   T h v o lta g o u tp u t h at   is   V d *   is   o b tain ed   b y   co m p ar i n g   i d *   an d   id ,   also   Vq *   is   o b tain ed   b y   co m p ar in g   iq *   an d   iq .   T h en ,   th Vd *   an d   Vq *   ar ap p lied   to   P W g en er ato r   to   g en er ate  th e   p u ls es  w h ic h   ar e m p lo y ed   to   tr ig g er   t h DC - AC   co n v er ter   as sh o w n   i n   Fi g u r 2 a.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P o w er Qu a lity A n a lysi s   o f a   Gri d - C o n n ec ted   S o l a r /Wi n d /Hyd r o g en   E n erg y   Hyb r id   (   S u jit K u ma r   B h u ya n )   383   As  s h o w n   i n   th Fi g u r 2 b ,   a   b u ck   co n v er ter   is   co n n ec ted   ac r o s s   th elec tr o l y ze r   w h ich   tak es  t h e   ex tr a m o u n o f   p o w er   f r o m   t h W E C a n d   p r o v id es  t h at   e x tr p o w er   to   t h elec tr o l y ze r   to   co n v er t   th e   w ater   in to   H2   an d   o x y g e n .   T h is   H2   is   u s ed   as  t h i n p u f u el  o f   S OFC   a n d   th r est  a m o u n o f   f u el  is   s to r ed   in   th e   s to r ag ta n k .   T h r eq u ir e m e n t   o f   H2   f lo w   to   th e   SOF C   a s   f u el  d ep en d s   u p o n   th e   lo ad   d em a n d .   Fi g u r 2 d   s h o w s   t h g r ap h ical  s tr u ct u r o f   th f u e l   ce ll  f lo w   co n tr o lle r   w h er Vso f c_ b o o s is   t h o u tp u v o lta g o f   t h e   b o o s co n v er ter   co n n ec ted   ac r o s s   th SOF C .   P I co n tr o ller   tak es  th i n p u v o lta g o f   t h b o o s co n v er ter   ( Vso f c_ b o o s t)   co n n ec ted   ac r o s s   t h SO FC   an d   g i v es  t h c o n tr o llin g   s i g n al  to   t h v a lv e .   Hen ce ,   th v a lv e   r eg u late s   t h a m o u n t   o f   H2   f l o w   w h ic h   is   g i v e n   to   t h SO FC   ac co r d in g   to   lo ad   r eq u ir em en t.  T h v alu e s   o f   P I c o n tr o ller   s h o w n   ar ch o s en   b y   th h elp   o f   s el f - tu n ed   m o d o f   th Ma tlab /Si m u lin k   ( P   0 . 0 0 0 1 3 3 1 7 ,   I   =   3 . 3 9 2 5 2 2 7 e - 0 5 ,   - 6 . 2 5 4 2 5 4 1 7 2 8 7 0 e - 0 5 ) .             F ig u re   2 a .   Bl o c k   d iag ra m   Re p re s e n tatio n   o f   Hy b rid   G e n e r a ti o n   S y ste m   (H G S )         F ig u re   2 c .   G ra p h ica d iag ra m   re p r e se n ti n g   th e   c o n tro l   tec h n iq u e s a p p l ied   t o   V S C             F ig u re   2 b .   S im u latio n   d iag ra m   o f   H f lo w   f ro m   e lec tro ly z e r   to   S to ra g e   T a n k   a n d   S OFC     F ig u re   2 d .   G ra p h ica stru c tu re   re p re se n tatio n   o f   F u e Ce ll   F lo w   Co n tr o ll e r       9.   O P E RAT I O NAL  CO NT RO L   ST AT E G O F   T H E   H YB RID G E N E RA T I O S YS T E M           P a t h   1 [P pv    <  P L o a d ]   P a t h   3 [ ( P pv   =   0 ]       P a t h   2 [ P pv   =   P L o a d ]   P a t h   4 [ ( P pv   P W E CS )   =   0 ]     Fig u r 3 .   v ar io u s   p ath   d escr ib i n g   t h co n tr o l stra te g y   o f   HG S         PV   Wit h   MPPT         El e c t r o l y z e r   A nd   S OF C             DC     B U S     AC                                  DC     DC                                  DC   V w i n d _ d c V w i n d _ b o o s t   DC                                  DC   V p v _ d c V p v _ b o o s t G a t e   p u l s e   f r o m   M P P T   c o n n e c t e d   t o   W i n d G a t e   p u l s e   f r o m   M P P T   c o n n e c t e d   t o   P V   DC                                  DC   E x t r a   V o l t a g e   o f   b o o s t   c o n v e r t e r s   o f   W i n d   a n d   P V   VS C   Co n tr ol l er   G a t e   P u l s e a b c V a b c I a b c V d c _ o u t p u t                    DC       WEC S   Wit h   MPPT     V w i n d _ a c   DC                                 A C         _       V d V q i q i d V d c i d * i d + ÷ _ + _ + + ÷ + + ÷ ᶿ ᶿ V a V b V c i a i b i c G a t e   p u l s e V d * V q * i q * = 0 V d c _ r e f       M od u l ati on   and   P W M   Gen er ato r         a bc                                                       dq         a bc                                                       dq         PL L     DC L I NK  PI     CO N TROL LER     CURR EN P I   CO N TROL LER     CURR EN P I   CO N TROL LER       wl   L     - wl   L     R e q u i r e d A m o u n t   H 2 f l o w   t o   S O F C C o n t r o l l i n g S i g n a l V s o f c _ b o o s t     Valve     Co n sta n t     Fu el     PID   Co n tro ll e r       D C /D C   H 2   S to r a g e  T a nk   E l e c r o l y ze r     W E C S   (P WE C S )   PV   (P pv )       D C /D C   D C  /A C   /   L o a D e ma nd   (P L o a d )   AC/ D C       D C /D C   D C  /A C   /   D C /D C   H 2   S to r a g e  T a nk   S O F C   (P S O F C )   W E C S   (P WE C S )   L o a D e ma nd     (P L o a d )   AC/ D C       PV   (P pv )       D C /D C   D C  /A C   /   L o a D e ma nd   (P L o a d )   D C /D C   H 2   S to r a g e  T a nk   E l e c r o l y ze r     W E C S   (P WE C S )   AC/ D C       D C  /A C   /   D C /D C   H 2   S to r a g e  T a nk   S O F C   (P S O F C )   L o a D e ma nd     (P L o a d )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   377     3 8 9   384   Fig u r 3   s h o w s   th o p er atio n al  co n tr o s tr ate g y   ( OC S)  o f   t h HG S.  T h u s ef u l n es s   o f   th is   co n tr o l   s tr ateg y   is   to   m a k r elatio n s h i p   b etw ee n   th p o w er   d em a n d   an d   g en er atio n   o f   HGS.   So ,   th e   w h o le  o p er atio n   is   co n d u cted   i n   s m o o t h   m a n n er .   B asicall y   i n   t h is   to p ic  th e   r eq u ir ed   lo ad   d em a n d   co n s id er ed   is   g r ea ter   th a n   P p o w er .   B u t,  th er ar f o u r   p o s s ib le  w a y s   f o r   th O C S to   r eg u la te  th m o d el  s m o o t h l y   a s   d escr ib ed   b el o w .   a)   W h ile  P p o w er   ( P p v )   is   les s   th a n   th d e m an d   p o w er   ( P d em a n d )   i.e . ,   P p v   Pd em a n d ,   th en   p ath   1   s h o u ld   b f o llo w ed .   T o tal  am o u n o f   P p o w er   a n d   r eq u ir ed   am o u n o f   W E C p o w er   ( P W E C S)  ar s u p p lied   to   f u l f ill  t h lo ad   d em an d .   T h en   t h r es a m o u n W E C p o w er   is   g i v e n   to   th e   elec tr o l y ze r ,   w h er it d is s o lv ed   t h w ater   i n to   H2   an d   o x y g e n   an d   t h i s   H2   is   k ep t i n   s to r ag ta n k .   Fu r t h er ,   th is   H2   i s   tak en   a s   th i n p u t f u el  o f   S OF C .   b)   W h ile  P p o w er   ( P p v )   is   eq u a l to   d e m a n d   p o w er   ( P d e m an d )   i.e . ,   P p v   P d em a n d ,   th e n   p at h   2   s h o u ld   b f o llo w ed .   A t   th a ti m t h to tal  P p o w er   is   u s ed   to   f u l f ill   th d em a n d   o f   th lo ad   an d   W E C p o w er   ( P W E C S)  is   u s ed   to   s u p p l y   t h elec tr o ly ze r .   c)   W h ile  P p o w er   ( P p v )   is   eq u al  to   ze r o   i.e . ,   P p v   0 ,   th e n   p ath   3   s h o u ld   b f o llo w ed .   T o   f u lf i ll  t h p o w er   d e m an d   th r eq u ir ed   a m o u n o f   p o w er   i s   s u p p lied   f r o m   SOF C   alo n g   w it h   t h W E C p o w er   ( P W E C S)  to   th lo ad .   Her e ,   SOFC   g ets  t h H2   as  f u el  f r o m   t h s to r ag ta n k   to   g e n er ate  th SOF C   p o w er   ( P SOFC ) .       d)   W h ile  P p o w er   ( P p v )   as  w e ll  as  W E C p o w er   ( P W E C S)  is   eq u al  to   ze r o   i.e . ,   ( P p v   P W E C S)  0 ,   th en   p at h   4   s h o u ld   b f o llo w ed .   Her e,   n o   W E C an d   PV  p o w er   ar s u p p lied   to   f u l f ill  t h p o w er   d em a n d ,   o n l y   SOF C   p o w er   ( P SOFC )   i s   s u p p lied   to   f u l f ill t h d em a n d   r eq u ir e m e n t.       10.   ST UDY  O F   T H E   P O WE Q UA L I T F AC T O R   T h th r ee   ess en t ial  f ea t u r es o n   w h ic h   P QF d ep en d s   ar d escr ib ed   b elo w .     1 0 . 1     V o lt a g e   a nd   Curre nt  H a r m o nic s   Dis t o rt io n lev els   T o tal   h ar m o n ic s   d is to r tio n   lev el  o f   th v o lta g ( VT HD)   an d   to tal  h ar m o n ics  d is to r tio n   l ev el  o f   th e   cu r r en t ( I T HD)   ar th d is to r tio n s   lev e ls   o f   t h h ar m o n ic s   r esp ec tiv el y ,   f o r   th 3 Ø  as  w el l a s   1 Ø  cir cu its .     [ V T HD ] 2 = V h 2 h 1 V 1 2                   ( 1 7 )     [ I T HD ] 2 = I h 2 h 1 I 1 2                   ( 18)     W h er e,   an d   I   ar r m s   v alu e s ,   h   h ar m o n ic  o r d er ,   1   =   f u n d a m en tal   L o s s e s   ar less   i n   lo w er   o r d er   h ar m o n ic s   b u m o r i n   h i g h er   o r d er   h ar m o n ic s   h a v i n g   th s a m e   a m p lit u d e.   Hen ce ,   to tal  r eg u la ted   h ar m o n ic s   d is to r tio n   o f   t h e   cu r r en t a n d   v o lta g ar r ep r esen ted   b elo w .     [ V T HD ] H A 2 = ( C h V h ) 2 k 1 V 1 2                 ( 19)     [ I T HD ] H A 2 = ( D h I h ) 2 k 1 I 1 2                 ( 20)     W h er e,   C h , D h =   ( >1 )   k n o w n   a s   w ei g h t in g   f ac to r s .     Fu r t h er ,   E q u atio n s   ( 1 7 )   an d   ( 1 8 )   m a y   b co n s id er ed   in   3 Ø  n et w o r k   ac co r d in g   to   [ 2 7 ]   as:     V eH 2 = V ah 2 + V bh 2 + V ch 2 3 h 1                 ( 21)     I eH 2 = I ah 2 + I bh 2 + I ch 2 3 h 1                 ( 22)     W h er e,   VeH   is   th eq u i v ale n h ar m o n ic s   o f   th r m s   v o lt ag in   t h 3 Ø  n et w o r k   an d   I eH  is   th e   eq u iv ale n h ar m o n ics  o f   t h r m s   v o ltag i n   t h 3 Ø  n et w o r k   B y   p u tt in g   t h e   E q u atio n s   ( 2 1 )   an d   ( 2 2 )   in   th e   E q u atio n s   ( 1 9 )   an d   ( 2 0 ) ,   th eq u i v ale n cu r r en a n d   v o ltag ad j u s ted   h ar m o n ic s   v a lu es a r o b tain ed   as s h o w n   b el o w .   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I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       P o w er Qu a lity A n a lysi s   o f a   Gri d - C o n n ec ted   S o l a r /Wi n d /Hyd r o g en   E n erg y   Hyb r id   (   S u jit K u ma r   B h u ya n )   385     V eH A 2 = C h 2 V ah 2 + V bh 2 + V ch 2 3 h 1               ( 2 3 )     I eH A 2 = D h 2 I ah 2 + I bh 2 + I ch 2 3 h 1               ( 24)     So ,   QA 1   is   th q u alit y   asp ec t o f   V T HD  an d   QA 2   is   t h q u alit y   asp ec o f   I T HD.     QA 1 = VT HD = V eH A V e1                 ( 25)     QA 2 = ITHD = I eH A I e1                 ( 26)     W h er e,   Ve1   is   th 3 Ø  n et w o r k   eq u iv ale n f u n d a m e n tal  p h ase  v o ltag a n d   I e1   is   th 3 Ø  n et w o r k   eq u iv ale n f u n d a m en tal  p h ase  cu r r en t.     V e1 2 = V a1 2 + V b1 2 + V c1 2 3                   ( 2 7 )     I e1 2 = I a1 2 + I b1 2 + I c1 2 3                   ( 28)     E q u atio n s   ( 2 1 )   to   ( 2 4 ) ,   ( 2 7 )   an d   ( 2 8 )   r ep r esen 3 Ø  n et w o r k   l o s s es  w h er it  is   eq u al  to   th o s o f   ac tu al   s y s te m s   ta k en   i n to   co n s id er ati o n .   So ,   f e w   a s s u m p t io n s   ar r ep r esen ted   b elo w :   a)   T h lo s s es o f   th l in eq u ip m e n t a r r elate d   to   th s q u ar o f   cu r r en t o r   v o ltag e   b)   P ar am eter s   o f   t h eq u ip m e n t a n d   lin ar co n s id er ed   as s y m m etr ical     1 0 . 2     De g re o f   Unba la nce   T h tr an s f er   q u al it y   o f   t h p o w er   is   in f l u e n ce d   b y   th u n b alan ce   v o lta g a n d   cu r r en i n   p o ly - p h a s e   cir cu it.  Ma n y   r ea s o n s   ar tak en   i n to   co n s id er atio n   f o r   t h e   ab o v p r o b le m   s u c h   as   o v e r lo ad in g   i n   n e u tr al   co n d u cto r   in   f o u r   w ir s y s te m   o f   d is tr ib u t io n   n et w o r k ,   i n cr ea s ed   lo s s es o cc u r r ed   in   t h li n at  th s a m e   p o w er   tr an s f er   le v el.   T h 3 Ø   s i n u s o id al  v o ltag e   co n s is t s   o f   t h r e co m p o n e n ts :   P o s itiv e - s eq u e n ce   V+ ,   Neg a tiv e - s eq u en ce   V−   a n d   Z er o   s eq u e n ce   V0   as sh o w n   b elo w .     {         V + = 1 3 ( V a + a V b + a 2 V c ) V = 1 3 ( V a + a 2 V b + a V c ) V 0 = 1 3 ( V a + V b + V c )               ( 2 9 )     W h er e,   V =   p h aso r   o f   an d   a = e xp   ( j2 π 3 )     So ,   b y   u s i n g   t h E q u atio n s   ( 2 7 )   to   ( 2 9 )   th eq u iv ale n t v o lta g is   d ev elo p ed   as:      V e1 2 = V + 2 + V 2 + V 0 2                 ( 30)     I n   th i s   m a n n er   th c u r r en t E q u atio n   ca n   b w r itte n   as:     I e1 2 = I + 2 + I 2 + I 0 2                 ( 31)     So ,   q u alit y   a n al y s is   ca n   b f o u n d   o u t a s   g iv e n   b elo w .     QA 3 = [ V e1 2 ( V + ) 2 ] 1 2 V e1                 ( 32)     QA 4 = [ I e1 2 ( I + ) 2 ] 1 2 I e1                   ( 33)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w er   E lectr o n   &   Dr i S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 8   :   377     3 8 9   386   1 0 . 3     P ha s dis pla ce m e nt  bet w ee n t he  v o lt a g a nd   curr en t   a t   t heir  f un da m ent a l f re qu ency   P h ase  d is p lace m e n b et w ee n   v o ltag a n d   cu r r en at  g iv e n   f u n d a m en tal  f r eq u e n c y   s h o w s   less   o r   f u ll  u tili za t io n   o f   eq u ip m e n at   d is tr ib u tio n   o r   g en er atio n   s id e.   T r a d itio n all y   p o w er   f ac to r   ( p f )   ca n   b d ef in ed   a s   th r atio   b et w ee n   t h ac ti v p o w er   ( P )   an d   ap p ar en p o w er ( S)  w h ic h   is   p o s s ib le  f o r   s in u s o id al  s itu atio n .   B u t,   f o r   th n o n - s i n u s o id al   s i tu ati o n   p f   d ef i n itio n   d escr ib ed   ab o v is   m is lead i n g .   So ,   in s tan t an eo u s   v o lta g an d   cu r r en g iv t h r esu lts   o f   t h e   in s ta n ta n eo u s   p o w er   as  g i v e n   in   [ 2 7 ] .   C o n v e n tio n a ac tiv p o w er   is   t h ti m e   av er ag v al u es   o f   t h in s tan t an eo u s   p o w er   w i th   r esp ec to   ti m e .   A ls o ,   t h i n s tan ta n eo u s   p o w er   ( S)  h a s   n o   p h y s ical  m ea n i n g .   So ,   at  ea ch   in s ta n v o ltag a n d   cu r r en v al u es a r n o t ta k en   i n to   co n s id er atio n .   A ll  t h ab o v s aid   i n ad eq u ac i es  m a y   b cir cu m v e n ted ,   w h e n   th u tili za tio n   o f   t h p o w er   i s   p o o r   d u to   th p h y s ical   en tit y .   T h is   en tit y   is   k n o w n   a s   p h ase  d if f er e n ce   b et w ee n   t h v o lt ag an d   cu r r en at   f u n d a m en ta f r eq u e n c y   eit h er   o n   lo ad   s id o r   s o u r ce   s id e.   Hen ce ,   to   r ev ea th is   a s p ec o n   th p o w er   q u alit y   n e w   f ac to r   is   co n s id er ed   n a m e d   as o r th o g o n al  cu r r en t f ac to r   ( OC F)  as g iv e n   i n   [ 2 7 ] .     OCF = I 1a s i n ∅1 a + I 1b s i n ∅1 b + I 1c s i n ∅1 c I 1a + I 1b + I 1c               ( 3 4 )     QA 5 = | OCF |                   ( 35)     QA 5 = | OCF |                   ( 36)     P QF  d eter m i n es  t h p o w er   q u alit y .   I n   th ab o v E q u atio n   w i   is   k n o w n   as  w ei g h ti n g   f ac t o r ( 1 )   w h er ea s ,   QA i   is   th d if f er en t q u ali t y   asp ec ts .       11.   E XP E R I M E NT A L   VE R I F I CATI O R E S UL T S W I T H   T H E   H E L P   O F   SI M UL AT I O N   T h p r o p o s ed   HGS  is   d esig n e d   b y   u s i n g   Ma t lab   Si m u li n k   an d   v er if ied   u n d er   d if f er en t c o n d itio n s .   Fig u r 4 r ep r esen ts   th H2   f l o w   f r o m   elec tr o l y ze r ,   w h e n   it  tak es  t h e x tr a m o u n o f   W E C p o w er   w h ic h   is   d escr ib ed   in   p ath   1   an d   p ath   2   o f   Fi g u r 3 .   SOF C   tak e s   th a m o u n o f   H2   f lo w   ac co r d in g   to   th e   p o w er   d e m an d   a n d   co n tr o lle d   b y   t h P I co n tr o ller   as  s h o w n   in   Fi g u r 4 b   an d   Fi g u r 4 c.   Fig u r 4 d   r ep r esen ts   th v o lta g o u tp u t o f   b o o s t c o n v er ter   o f   t h SOF C ,   w h ich   i s   co n n ec ted   ac r o s s   th SOFC .   T h v o ltag an d   cu r r e n w av e f o r m s   o f   HGS  ar s h o w n   i n   Fig u r 5 a.   Fig u r 5 b   s h o w s   t h v o lta g e,   cu r r en an d   p o w er   w av e f o r m s   o f   th 3 Ø  lo ad   as  s h o w n   i n   Fig u r 1   h av i n g   t h ac tiv p o w er   ( P )   1 4   KW ,   in d u cti v p o w er   ( Q L )   2   KVAR a n d   ca p ac iti v p o w er   ( QC )   1 0 0   VA R .           T im ( t)       Fig u r 4 a.   H2   g en er atio n   f r o m   th E lectr o l y ze r   T im ( t)         Fig u r 4 c.   Ou tp u t o f   th P I C o n tr o ller         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.