I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  A p r il   20 25 ,   p p .   1 4 1 1 ~ 1 4 2 3   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 2 . pp 1 4 1 1 - 1 4 2 3           1411       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   O ptimi zed  co ntro l and si mula tion o f  a  grid - in tegra te d  pho tov o ltaic a nd f uel ce ll hyb rid  p o wer sys tem       Am a l Sa t if ,   L a a m a ri  H lo u,  Ra chid E lg o uri   La b o r a t o r y   o f   A d v a n c e d   S y st e ms E n g i n e e r i n g ,   N a t i o n a l   S c h o o l   o f   A p p l i e d   S c i e n c e s   ( EN S A ) ,  K e n i t r a ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 1 9 ,   2 0 2 4   R ev is ed   No v   3 0 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Dec   1 4 ,   2 0 2 4       In   th is  stu d y ,   we   p ro p o se   a n   a d v a n c e d   p o we r  c o n tro l  stra teg y   tail o re d   fo r   a   g rid - c o n n e c ted   p h o to v o l taic - h y d ro g e n   h y b rid   sy ste m   a ime d   a t  e n su rin g   re li a b le  e n e rg y   su p p ly   to   c o n su m e rs.  Th is  h y b rid   sy ste m   in te g ra tes   p h o to v o lt a ic  ( P V)  p a n e ls  a s  th e   p rima ry   e n e rg y   so u rc e   su p p le m e n ted   b y   h y d ro g e n   f u e l  p ro d u c ti o n   t h ro u g h   e lec tro ly sis   o f   su r p lu s   P V - g e n e ra ted   e lec tri c it y .   To   o p ti m ize   sy ste m   fl e x ib il i ty   a n d   e fficie n c y ,   we   e m p l o y   se v e ra l   a d v a n c e d   c o n tro l  tec h n i q u e s.  A  n o v e l  m a x imu m   p o we r  p o i n t  trac k in g   (M P P T)   m e th o d ,   e n h a n c e d   wit h   a   p r o p o rti o n a l - in teg ra l  ( P I)  c o n tro ll e r ,   su rp a ss e s  c o n v e n ti o n a l  p e rtu r b   a n d   o b se rv e   (P & O)  tec h n i q u e s  t o   m a x imiz e   P V  p o we r  o u tp u t.   F o r  p re c ise   c o n tr o l   o f   th e   th re e - p h a se   p h o to v o lt a ic   in v e rter,  we   u ti l ize   a   sp a c e   v e c to r  p u lse   wid th   m o d u lati o n   ( S VPW M )   a lg o rit h m .   S y n c h ro n iza ti o n   with   t h e   u ti li t y   g ri d   is  e n su re d   b y   a   p h a se - lo c k e d   lo o p   ( P LL ),   m a in tai n in g   p h a se   c o h e re n c e   b e twe e n   t h e   i n v e rter   o u tp u t   a n d   g rid   su p p l y .   Th e   p rima ry   g o a l  is   to   d e v e lo p   a   c o m p re h e n si v e   a n d   e fficie n t   c o n tro l  stra teg y   fo r   g r id - c o n n e c t e d   h y b r id   sy ste m s,  a d d re ss in g   b o th   e n e rg y   g e n e ra ti o n   a n d   sto ra g e   c h a ll e n g e s.  M ATLAB  sim u latio n s  v a l id a te  th e   sy ste m ' s  p e rfo rm a n c e ,   d e m o n stra ti n g   h ig h   e n e rg y   c o n v e rsio n   e fficie n c y   a n d   ro b u st  c o n tro l   a c ro ss   v a ry i n g   c o n d it io n s.  T h is  st u d y   u n d e r sc o re s  th e   p o ten ti a l  o f   h y b ri d   P V - h y d r o g e n   sy ste m s  to   p r o v i d e   su sta i n a b le   a n d   re sili e n t   e n e rg y   so lu ti o n s   fo r  f u tu re   g ri d   i n teg ra ti o n .   K ey w o r d s :   E n er g y   co n v er s io n   Gr id   in teg r atio n     Ma x im u m   p o wer   p o i n t tr ac k in g     Ph o to v o ltaic / f u el  ce ll   h y b r id   s y s tem   Sp ac e  v ec to r   p u ls e  wid th   m o d u latio n     Sy n ch r o n izatio n     T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Am al   Satif   L ab o r ato r y   o f   Ad v an ce d   Sy s tem s   E n g in ee r in g ,   Natio n al  Sch o o l o f   A p p lied   Scien ce s   ( E NSA)   Ken itra ,   Mo r o cc o   E m ail: a m al. s atif @ u it.a c. m a       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  g lo b al  en e r g y   s u p p ly   is   h ea v ily   d ep e n d en t  o n   f o s s il  f u els  an d   n u clea r   r eso u r ce s ,   wh ich   p o s e   s ig n if ican t  en v ir o n m e n tal  th r ea ts ,   in clu d in g   atm o s p h er ic   p o llu tio n ,   g r ee n h o u s e  g as  e m is s io n s ,   an d   n u clea r   f allo u t.  T h ese  ch allen g es  c o n t r ib u te  to   clim ate  ch a n g e,   n o w   r ec o g n ized   as   a  cr itical  g lo b al  is s u e  im p ac tin g   s u s tain ab ilit y ,   h u m an   h ea lth ,   an d   ec o n o m ic  s tab ilit y   [ 1 ] .   Fu r th er m o r e,   th e  d e p letio n   o f   f o s s il  f u el  r eser v es,  r is in g   en er g y   co s ts ,   an d   th e   u n ce r tain ty   s u r r o u n d in g   o il   an d   n atu r al  g as   s u p p lies   u n d er s c o r e  th e   u r g en t   n ee d   f o r   alter n ativ e,   s u s tain ab le  en e r g y   s o u r ce s   [ 2 ] .   T o   m ee t  t h ese  ch allen g es,   r en ewa b le  en er g y   tech n o lo g ies  a r e  in cr ea s in g ly   ad o p ted   to   e n s u r e  lo n g - ter m   en er g y   s ec u r ity .   Ho we v e r ,   o n e  o f   th e   m ajo r   co n s tr ain ts   f o r   g r id - co n n ec ted   s y s tem s   r e ly in g   o n   r e n ewa b le  s o u r ce s   is   o v er co m in g   in ter m itten cy   to   en s u r e  a  co n tin u o u s   an d   r eliab le  p o wer   s u p p ly   [ 2 ] .   Ad d r ess in g   th is   is s u e  r eq u ir es in teg r atin g   a d v a n ce d   en er g y   s to r a g e  tech n o lo g ies in to   r en ewa b le  en er g y   s y s t em s   [ 3 ] .   Hy b r id   g r id - co n n ec ted   s y s te m s   p r esen t  a  p r o m is in g   s o lu tio n   b y   co m b i n in g   r e n ewa b le  en er g y   g en er atio n   with   ef f ec tiv e  s to r ag e  m ec h an is m s   to   r eg u late  an d   s tab ilize  en er g y   s u p p ly .   T h is   r esear ch   f o cu s es  o n   th e   p r o d u ctio n   o f   s o lar   f u el s ,   s p ec if ically   s o lar   h y d r o g e n ,   wh ich   ch em ically   s to r es  s o lar   en er g y .   Hy d r o g en   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 4 1 1 - 1 4 2 3   1412   is   ab u n d a n t,  clea n ,   an d ,   wh e n   u s ed   i n   f u el  ce lls   ( FC s ) ,   p r o d u ce s   n o   p o llu tan ts ,   m ak i n g   it  an   id e al  en er g y   ca r r ier   f o r   g r id - co n n ec ted   s y s tem s   [ 4 ] .   Am o n g   v a r io u s   h y d r o g en   p r o d u ctio n   m eth o d s ,   p r o to n   ex c h an g e   m em b r an e  ( PEM )   elec tr o ly ze r s   s tan d   o u t  d u e  to   th eir   co m p ac t  d esig n ,   ab s en ce   o f   h ar m f u l  ch em icals,  an d   ab ilit y   to   g en er ate   h ig h - p u r ity   h y d r o g en   s u itab le  f o r   d ir ec t u s e  in   FC s   [ 5 ] .   W h ile  n u m er o u s   s tu d ies  h av e   ex p lo r ed   t h e  p e r f o r m an ce   o f   in d iv id u al  co m p o n en ts ,   s u ch   as  PEM   elec tr o ly ze r s ,   p h o to v o ltaic  ( P V)   p an els,  an d   FC s ,   th er e  is   a  s ig n if ican t  g ap   in   th e  liter atu r e  wh en   it  co m es  to   in teg r atin g   th ese  c o m p o n en ts   in to   a  u n if ied   g r id - c o n n e cted   h y b r id   s y s tem .   R esear ch   s u ch   as  [ 6 ] – [ 1 0 ]   h as  p r im ar ily   f o cu s ed   o n   e v alu ati n g   s tan d alo n e  elem en ts ,   with o u t  ad d r ess in g   th e  c o m p lex   c h allen g es  o f   co n tr o l  an d   in teg r atio n   with in   a  g r id - co n n ec ted   f r am ewo r k .   Oth er   wo r k s   h av e  co n ce n tr ated   o n   th e  p h y s ical  b eh av i o r   o f   ce lls   o r   s tack s   [ 1 1 ] ,  [ 1 2 ] ,   y et  d o   n o t  f u lly   co n s id er   th e  d y n a m ic  in ter ac tio n s   b et wee n   PV  s y s tem s ,   elec tr o ly ze r s ,   an d   FC s   r eq u ir e d   f o r   o p tim al  p er f o r m an ce   in   h y b r id   s y s tem s .   Ad d itio n ally ,   th e  r o le  o f   p o wer   elec tr o n ics — s u ch   as  DC /D C   co n v er ter s ,   th r ee - p h ase  in v er ter s ,   f ilter s ,   an d   tr an s f o r m er s — is   cr u cial  in   en h an cin g   s y s tem   ef f icien cy   a n d   d eser v es m o r e  atten tio n   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   O u r   s t u d y   b r i d g es   k e y   g a p s   b y   p r e s e n t i n g   a  c o m p r e h e n s iv e   i n t e g r a ti o n   o f   P V  a n d   h y d r o g e n   F C   s y s te m s   i n   a   g r i d - c o n n e c t e d   f r a m e w o r k .   W e   e m p h a s i ze   h o l i s ti c   d es i g n ,   i n c o r p o r a t i n g   ad v a n c e d   m a x i m u m   p o w e r   p o i n t   t r a c k i n g   ( M P P T )   f o r   P V   o p t i m i z a ti o n ,   e f f e c t i v e   P E M   e l e ct r o l y z e r   m a n a g e m e n t,   s p a c e   v e c t o r   p u l s e  w i d t h   m o d u l a t i o n   ( S VP W M )   f o r   p r e c i s e   i n v e r t e r   c o n t r o l ,   a n d   p h a s e - l o c k e d   l o o p   ( P L L )   s y n c h r o n i z a t i o n   f o r   s e a m l ess   g r i d   o p e r a t i o n .   T h i s   ap p r o a c h   e n h a n c e s   s y s t e m   r e li ab i l i t y ,   e n e r g y   e f f i c i e n c y ,   a n d   a d a p t a b i l i t y ,   o f f e r i n g   a   r o b u s t   s o l u ti o n   f o r   s u s ta i n a b le   h y b r i d   e n e r g y   s y s t e m s   i n   r e a l - w o r l d   a p p l i c a ti o n s   [ 1 5 ] .   T h e  p r im a r y   o b jectiv es  o f   th i s   s tu d y   ar e  as  f o llo ws:   i)   Des ig n   an d   in teg r atio n   o f   a  h y b r id   s y s tem   d ev elo p   a  g r i d - co n n ec ted   h y b r id   p o wer   s y s tem   th at  i n teg r ates  PV  p an els  an d   h y d r o g en   FC   g en er at o r s ;    ii)  Op tim izatio n   o f   c o n tr o l  s t r ateg ies  im p lem en t  ad v a n ce d   co n tr o l  s tr ateg ies  to   o p tim iz e  th e  p o wer   o u tp u t  f r o m   b o th   th e  PV  p a n els  an d   th e  FC   g en er ato r ,   e n s u r in g   e f f icien t  g r id   s y n ch r o n izatio n ;  an d   iii)  Simu latio n   an d   v alid atio n   co n d u ct  ex ten s iv e  s im u latio n s   to   ev alu ate  th e  h y b r id   s y s tem ’ s   p er f o r m an ce   u n d er   v a r io u s   o p er atin g   co n d itio n s   an d   v ali d ate  th e  ef f ec tiv en ess   o f   th e  p r o p o s ed   co n tr o l  s tr ateg ies.   B y   ad d r ess in g   th ese  o b jectiv es,  th is   s tu d y   aim s   t o   ad v a n ce   th e  s tate  o f   k n o wled g e  in   h y b r i d   r en ewa b le  e n er g y   s y s tem s   an d   p r o v id e   s o lu tio n s   f o r   in teg r ati n g   clea n   e n er g y   tech n o l o g ies in to   g r id - co n n ec ted   s y s tem s .   T h e  s tr u ctu r e  o f   t h is   wo r k   is   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   p r esen ts   an   o v er v iew  o f   th e  p o wer   s y s tem   an d   its   co m p o n en ts .   Sectio n   3   f o cu s es  o n   th e  co m p r eh en s iv e  im p lem en tatio n   o f   th e  PV/F C   h y b r id   g r id - c o n n ec te d   s y s tem ,   co v er in g   th e  c o n tr o l  t ec h n iq u es  an d   c o m p o n en ts   u ti lized .   Sectio n   4   d etails  th e  o b t ain ed   r esu lts ,   wh ile   s ec tio n   5   co n clu d es th e  p a p er   an d   ex p lo r es p o te n tial a v en u e s   f o r   f u tu r e  r esear ch .       2.   P O WE R  SY ST E M   O V E RV I E W  A ND  CO M P O N E N T S   T h is   s tu d y   ev al u ates  th e  p e r f o r m an ce   o f   a  g r id - c o n n ec te d   h y b r id   PV  an d   h y d r o g en   FC   s y s tem   th r o u g h   s im u latio n s .   T h e  s etu p   co m p r is es  a  5   k W   PV  ar r ay ,   a  1   k W   PEM   elec tr o ly ze r ,   an d   a  1   k W   h y d r o g en   FC ,   m an ag ed   b y   a n   en h an ce d   p er tu r b   an d   o b s er v e   ( P& O)   MPPT  co n tr o l  alg o r ith m .   MA T L AB - Simu lin k   m o d els  th e  co m p o n e n ts   u n d er   v ar y in g   ir r ad ian ce   an d   tem p er atu r e,   s im u latin g   r e al - wo r ld   co n d itio n s .   E x p er im en tal  d ata,   in clu d in g   v o ltag e,   cu r r e n t,  an d   p o wer   o u tp u t,  ar e  an aly ze d   to   ass es s   en er g y   ef f icien cy ,   s y s tem   s tab ilit y ,   an d   lo ad   r esp o n s e.   Fig u r e  1   o u tlin es  th e  s y s tem 's  in ter co n n ec ted   co m p o n en ts ,   with   s u b s eq u en t su b s ec tio n s   d etailin g   th eir   f u n ctio n alities .           Fig u r e  1 .   PV/F C   p r o p o s ed   s y s tem   co n n ec ted   to   g r i d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz ed   co n tr o l a n d   s imu la tio n   o f a   g r id - in teg r a ted   p h o to vo lta ic  a n d   fu el  ce ll   …   ( A ma l  S a tif )   1413   2 . 1 .     P ho t o v o lt a ic  pa nel m o del   Fig u r e  2   illu s tr ates  a   s o lar   c ell  m o d el.   T h e  s o lar   p an el  is   co n f ig u r ed   with     ce lls   in   s er ies  to   in cr ea s e  v o ltag e  an d     ce lls   in   p ar allel  to   en h a n ce   cu r r en t.  T h e  co n v er s io n   o f   s o lar   en er g y   in to   elec tr ica l   en er g y   is   d escr ib e d   b y   th e  n o n - lin ea r   ( 1 )   [ 1 6 ] .      = ℎ −   [    (  +  ) − 1 ] −  +  ℎ   ( 1 )     wh er e     is   th e  PV   g en er ated   cu r r en t,     is   th e  PV  g en er ated   v o ltag e,   ℎ   is   th e  p h o to - cu r r en t,   0   is   th e   s atu r ated   d io d e  c u r r en t,     is   th e  elec tr o n   ch ar g e,     is   B o ltzm an n ' s   co n s tan t,    is   an   i d ea lity   f ac to r   ( v a r ie s   b etwe en   1 . 2   an d   5 ) ,   a n d     is   th e  ab s o lu te  ce ll tem p er atu r e.             Fig u r e  2 .   So lar   c ell  m o d elin g       T h e  ex p r ess io n s   f o r   p h o to - c u r r en t  ℎ   an d   s atu r atio n   cu r r en t  0   ar e  d ef in ed   b y   ( 2 )   a n d   ( 3 )   [ 1 7 ] :     ℎ = (  +  )     ( 2 )     =  +  [  +    ] − 1     ( 3 )     wh er e  = ∗ ∗ .   T h e  s elec ted   PV  m o d u le  is   KC 2 0 0 GT .   T h e  ch a r ac t er izin g   p a r am eter s   ar e   tak en   f r o m   th e   s y s tem   ad v is o r y   m o d el .   I t   ca n   b e  f o u n d   in   T ab le  1   [ 1 7 ] .       T ab le  1 .   E lectr ical  ch a r ac ter is tic  o f   KC 2 0 0 GT   p a n el.   P a r a me t e r   V a l u e   S h o r t - c i r c u i t   c u r r e n t      (A)   8 . 2   O p e n   c i r c u i t   v o l t a g e      (V)   3 2 . 9   C e l l s  p e r   mo d u l e   N s   54     ( A / ° C )   3e - 3     ( V / ° C )   - 1 2 0   N o mi n a l   t e m p e r a t u r e   ( ° C )   25       2 . 2 .     B o o s t   co nv er t er   T h e  s o lar   g en er at o r ' s   o u tp u t  v o ltag e  is   o f ten   in s u f f icien t  f o r   m an y   ap p licatio n s ,   an d   m ax im izin g   en er g y   co n v er s io n   ef f icien c y   r eq u ir es  o p er atin g   n ea r   th e   PV  s o u r ce ' s   m ax im u m   p o wer   p o in t.  Ho wev er ,   o u tp u t  p o wer   f lu ctu ates  d u e  to   v ar iatio n s   in   s o lar   r ad iatio n ,   t em p er atu r e,   a n d   lo ad   c h ar ac te r is tics ,   r esu ltin g   in   in co n s is ten t  p o wer   d eliv er y .   T o   m itig ate  th is ,   a   DC /DC   co n v er ter ,   r eg u lated   b y   an   MPPT  alg o r ith m   [ 1 8 ] ,   is   im p lem en ted   b etwe en   th e  r en ewa b le  s o u r ce s   an d   th e  l o ad .   Fig u r e  3   illu s tr ates  th e  p r o p o s ed   s y s tem ,   in teg r atin g   a  PV/F C   g en er at o r   with   a  DC - DC   b o o s t  co n v er ter   a n d   MPPT  alg o r ith m   to   o p tim ize   p o we r   tr ac k in g .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 4 1 1 - 1 4 2 3   1414       Fig u r e  3 .   B lo ck   d iag r am   o f   th e  B o o s t c o n v er te r       2 . 3 .     P E M   elec t ro ly ze r  m o del     W a t e r   el e c t r o l y s is   d e c o m p o s e s   t h e   m o l e c u l e s   o f   w a t e r   i n t o   h y d r o g e n   a n d   o x y g e n .   T h e   e l e c t r o c h e m i c a l  r e a c t i o n s   i n   t h e   PE M   el e c t r o l y z e r ,   t r i g g e r e d   b y   a n   a p p l i e d   p o te n t i a l ,   a r e   s h o w n   i n   ( 4 )   a n d   ( 5 ) .   F i g u r e   4   i ll u s t r at e s   t h e   f u n d a m e n t a l   p r i n c i p l e   o f   a   w a t e r   e le c t r o l y z e r   [ 1 9 ] .     An o d e:   2 → 2 + +   1 2   2 + 2 −   ( 4 )     C ath o d e:  2 + + 2 − → 2     ( 5 )     I n   th e  elec tr o l y ze r ,   wate r   at   th e  an o d e  is   s p lit  in to   o x y g en   g as,  elec tr o n s ,   an d   p r o to n s .   T h e  p r o t o n s   m o v e  t o   th e  ca th o d e  th r o u g h   a  PEM ,   wh ile  elec tr o n s   tr av el  v ia  an   ex t er n al  cir cu it,  d r iv i n g   th e  r ea cti o n .   At  th e  ca th o d e ,   elec tr o n s   an d   p r o to n s   r ec o m b i n e  to   f o r m   h y d r o g e n   g as.  C o n tin u o u s   wate r   s u p p ly   to   t h e  m em b r an e  elec tr o d e  is   ess en tial,  as  i s   th e  r em o v al  o f   h y d r o g en   an d   o x y g en .   T h e  r ea ctio n s   o cc u r   at   th e  m em b r an e - elec tr o d e   in ter f ac e,   n ec ess itatin g   th e  p o r o u s   elec tr o d e  to   f ac ilit ate  wate r   f lo w  to   th e  ca taly s t la y er   an d   g as r em o v al  f r o m   r ea ctio n   s ites .   T h e  PEM   elec tr o ly ze r   ce ll  m o d el  co m p r is es  f o u r   p r i n cip al  co m p o n e n ts :  an o d e,   ca th o d e,   m em b r an e,   an d   v o ltag e  [ 2 0 ] .           Fig u r e  4 .   PEM   f u el  ce ll r ep r es en tatio n       2 . 3 . 1 .     Ano de  a ncilla ry   T h e  an o d e  a n cillar y   m an a g es  th e  ca lcu latio n   o f   o x y g e n   an d   wate r   f lo ws  an d   th eir   p ar tial  p r ess u r es.  At  th e  an o d e,   ac c o r d in g   to   ( 4 ) ,   wate r   is   o x id ize d   to   p r o d u ce   o x y g en   g as,  p r o to n s ,   an d   elec tr o n s .   T h e   eq u atio n s   f o r   th ese  r ea ctio n s   a r e  p r o v id ed   [ 2 1 ] .      2  = Ṅ 2  − Ṅ 2  + Ṅ 2      ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz ed   co n tr o l a n d   s imu la tio n   o f a   g r id - in teg r a ted   p h o to vo lta ic  a n d   fu el  ce ll   …   ( A ma l  S a tif )   1415   dN H 2 O dt = Ṅ H 2 O ai −   Ṅ H 2 O ao −   Ṅ H 2 O eo d +   Ṅ H 2 O dif f     ( 7 )     wh er e ,  Ṅ 2  ,  Ṅ 2  ,  Ṅ 2  ,  Ṅ 2    ( m o l/s )   ar e   in let   an d   o u tlet  m o lar   f l o ws  o f   o x y g en   an d   wate r   a n o d e,   r esp ec tiv ely .   Ṅ 2   an d   Ṅ 2    ar e  elec tr o - o s m atic  d r ag   an d   d if f u s io n   f lo ws.  Ṅ 2    is   th e  m o lar   f lo w  r ate   o f   o x y g en   g en e r atio n   at  th e   a n o d e.   T h e  o x y g e n   m o la r   f lu x   th r o u g h   th e  a n o d e ,   u s in g   Far a d ay ’ s   law,   is   g iv en   b y   ( 8 )   [ 2 1 ] .       2 =   Ṅ 2  A =   4 F A     ( 8 )     2 . 3 . 2 .   Ca t ho de  a ncilla ry   T h e  ca th o d e  an cillar y   d eter m in es  th e  f lo w  r ates  an d   p a r tial  p r ess u r es  o f   h y d r o g en   an d   wate r .   Hy d r o g e n   io n s   in ter ac t  with   e lectr o n s   s u p p lied   b y   th e  p o we r   s o u r ce   to   p r o d u ce   h y d r o g en   g as.  T h e  e q u atio n s   g o v er n in g   th e   ca th o d e   an cillar y   ar e  ( 9 )   an d   ( 1 0 )   [ 2 0 ] .      2 dt = Ṅ 2  −   Ṅ 2  +   Ṅ 2      ( 9 )      2 dt = Ṅ 2  −   Ṅ 2  −   Ṅ 2  +   Ṅ 2     ( 1 0 )     T h e  m o lar   f lu x   o f   h y d r o g en   at   th e  ca th o d e   ca n   b e   ex p r ess ed ,   u s in g   Far ad ay ’ s   law,   as in   ( 1 1 ) .     2 =   Ṅ 2  =     2                   ( 1 1 )     2 . 3 . 3 .   M em bra ne  a ncilla ry   T h e  m em b r an e   elec tr o d e  ass em b ly   is   t h e  c o r e  o f   th e   PEM   e lectr o ly ze r ,   in v o l v in g   d if f u s io n ,   elec tr o - o s m o tic  d r ag ,   an d   h y d r au lic  p r ess u r e  ef f ec ts   [ 1 9 ] .     Ṅ 2 = Ṅ 2  −   Ṅ 2 +   Ṅ 2 ℎ    ( 1 2 )     T h e  r ate  o f   wate r   tr an s p o r t d u e  to   d if f u s io n   ca n   b e  d escr ib ed   b y   Fick ' s   laws o f   d if f u s io n   [ 2 1 ] .     Ṅ 2  =        ( 2 , ,   −   2 , ,   )             ( 1 3 )     wh er e ,     is   th e  m em b r an e   d if f u s io n   co ef f icien t  o f   wate r ,     is   th e  m em b r an e  t h ick n ess ,   2 , , ,   an d   2 , ,     r ep r esen t th e  co n ce n tr atio n s   o f   wate r   at  th e  m em b r an e  s id es.     E lectr o - o s m o tic  d r a g   is   d ep e n d en t o n   th e  f lo w  o f   h y d r ated   p r o to n s :     Ṅ 2 =                                    ( 1 4 )     wh er e    is   th e  elec tr o - o s m o tic  d r ag   c o ef f icien t.  E x p er im e n tally ,     v ar ies  with   ca th o d e   p r e s s u r e,   cu r r en t   d en s ity ,   an d   tem p er atu r e.   W ater   tr an s p o r t  f r o m   ca th o d e  t o   an o d e  th r o u g h   th e  m em b r a n e  is   d escr ib ed   b y   Dar cy ' s   law  [ 2 1 ] :     Ṅ 2 ℎ  =          ( − )     2                         ( 1 5 )     wh er e ,       is   th e  m em b r an e  p er m ea b ilit y   to   wate r ,       is   th e  v is co s ity   o f   wate r ,   an d       is   th e   wate r   d en s ity .     T h e  n et  m o la r   f lo w  r ate  o f   wat er   b ec o m es:     Ṅ 2 =    [ ( 2 , ℎ ,   −     2  Ṅ 2   ) − ( 2 , ℎ ,   +     2    ) ]   +       +          ( − )      2           ( 1 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 4 1 1 - 1 4 2 3   1416   E lectr o ly ze r s   ca n   o p e r ate  in   eith er   cu r r en t  m o d e   o r   v o ltag e  m o d e.   I n   v o ltag e   m o d e,   th e   el ec tr o ly ze r   a p p lies   a   s et  v o ltag e  an d   d r aws  cu r r e n t  ac co r d in g l y   u n til  it  r ea ch es  a   s tead y - s tate  af ter   tr an s ien t  c y c les.  Ho wev er ,   m o s t   co m m er cial  elec tr o ly ze r s   ar e  d esig n ed   to   o p er ate  in   cu r r e n t  m o d e.   T h e  o p er atin g   ce ll  v o ltag e  is   th e  s u m   o f   th e  o p en - cir c u it  v o ltag e   ,   o h m ic  o v er p o te n tial  ℎ ,  ac tiv atio n   o v er p o ten tial   ,   an d   co n ce n tr atio n   o v e r p o ten tial    ,   as  ( 1 7 )   [ 2 0 ] .     =    + ℎ +  +       ( 1 7 )     T h ese  p ar am eter s   co u l d   b e  r ep r esen ted   b y   ( 1 7 a )   to   ( 1 7 d ) :      = E 0 +    2 ( ln   (   2 √ 2 2   ) )     ( 17a )     wh er e ,    is   th e  u n iv e r s al  g as  co n s tan t,    is   th e  ce ll  tem p er atu r e ,   an d   2   is   th e  wate r   ac tiv ity   b et wee n   a n o d e   an d   elec tr o ly te,   f o r   s im p licity   it  is   ass u m ed   h er e   to   b e   1 .   T h e   s tan d ar d   v o ltag e  E 0   i s   0 = 1 . 229 − 0 . 9 − 3   ( − 298 ) .        =     ℎ (   2 0   ) +        ℎ (   2 0   )     ( 1 7 b )     wh er e    an d     ar e  th e  ch ar g e  tr an s f er   co ef f icien ts ,     is   th e  cu r r en t d en s ity ,   an d   0   an d   0   ar e  th e  ex ch an g e   cu r r en t  d en s ities   f o r   th e  an o d e   an d   ca th o d e,   r esp ec tiv el y .      =  4  2 2 , 0   +    2    2 2 , 0                   ( 1 7 c)     2   an d   2   ar e  th e  o x y g e n   an d   h y d r o g en   c o n ce n tr atio n s   at  th e  m e m b r an e - elec tr o d e  in ter f ac e.     ℎ =    = ℎ  + ℎ  + ℎ     ( 1 7 d )     wh er e     is   th e  to tal  r esis tan ce   ( i n clu d in g   elec tr o d es,  b i p o lar   p l ates,  an d   m em b r an e  r esis tan ce s ) .     2 . 3 . 4 .   Sto ra g e  a ncilla ry   T h e  h y d r o g e n   p r o d u ce d   b y   t h e   e l e c tr o ly z er   i s   s t o r e d   i n   an   ₂   s t o r a g e  b o t t l e .   T h i s   s to r ag e  p r o c e s s   i n v o l v e s   f i l l in g   t h e  cy l i n d e r   w i t h   a  co n s t an t   f l o w  o f   h y d r o g en   u n t i l  th e   p r e s s u r e  i n s i d e  t h e  cy l i n d e r   eq u a l s   t h e   c a th o d i c   p r e s s u r e   o f   t h e  el e c t r o ly z er .   T h e  c h ar a c t er i s t ic s   o f   t h e  s t o r ag e  p r o c e s s   ar e   d e t e r m i n ed   a s   ( 1 8 )   [ 2 0 ] :     −  =   2     2        ( 1 8 )     wh er e ,     is   th e  in itial   h y d r o g e n   p r ess u r e  in   th e  b o ttle,    is   th e  co m p r ess ib ilit y   f ac to r   o f   th e  h y d r o g en ,     is   th e  b o ttle te m p er at u r e ,   an d     is   th e  b o ttle v o l u m e.     D u r i n g   t h e   s to r ag e   p r o c e s s ,   i t  i s   a s s u m e d   t h a t   th e   t e m p e r a tu r e   o f   t h e   b o t t le   r e m a in s   c o n s t a n t .   T h i s   a s s u m p t i o n   i s   v a l id   b e ca u s e   th e   h y d r o g e n   f i l l in g   p r o c e s s   i s   r e l a t i v e ly   s l o w ,   a l lo w i n g   t h e r m a l   eq u i l ib r iu m   t o   b e   m a in t a i n ed .   T h e   c o m p r e s s i b i l i ty   f a c to r     a c c o u n t s   f o r   t h e  n o n - i d e a l   b eh a v io r   o f   h y d r o g en   g a s ,   e s p e c i a l l y   a t   h i g h e r   p r e s s u r e s ,   e n s u r i n g   ac c u r a t e   d e t er m i n at i o n   o f   t h e  p r e s s u r e   c h an g e s   w i t h i n   th e   s to r ag e   s y s t e m .     2 . 4 .     T hree - ph a s e  i nv er t er     T h e  in v er ter ,   s h o wn   in   Fig u r e   5 ,   u s es  s em ico n d u cto r   d ev ic es  lik e  in s u lated   g ate  b ip o lar   tr an s is to r s   ( I GB T s )   o r   m etal - o x id e - s em i co n d u ct o r   f iel d - ef f ec t   tr an s is to r s   ( MO SF E T s )   to   co n v er t   DC   v o ltag e  f r o m   th e   PV - h y d r o g en   s y s tem   in to   AC   cu r r en ts   s u itab le  f o r   th e  u tili ty   g r id .   I t  p lay s   a  cr u cial  r o le  in   en s u r in g   e f f icien t  in teg r atio n   b y   em p lo y in g   s u p p o r t  v ec to r   m ac h in es  ( SV M) ,   ch o s en   f o r   b en e f its   lik e  co n s tan t  s witch in g   f r eq u e n cy ,   well - d ef in e d   o u t p u t  h ar m o n ics,  o p tim al  s witch in g   p atter n s ,   an d   e f f icien t  u s e  o f   cir cu it  v o ltag e.   SVM  en h an ce s   s y s tem   p er f o r m an ce ,   s tab ilit y ,   a n d   r eliab ilit y ,   cr u cial  f o r   s ea m less   g r id   co n n ec tiv ity   o f   t h e   h y b r id   s y s tem   [ 2 2 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz ed   co n tr o l a n d   s imu la tio n   o f a   g r id - in teg r a ted   p h o to vo lta ic  a n d   fu el  ce ll   …   ( A ma l  S a tif )   1417       Fig u r e  5 .   B lo ck   d iag r am   o f   th r ee - p h ase  two - lev el  in v er ter       2 . 5 .     F ilte r    R en ewa b le  en er g y   s y s tem s   m u s t  m ee t  s tr in g e n t  en e r g y   q u a lity   s tan d ar d s   t o   en s u r e  r eliab le  p o wer   d eliv er y   to   th e  g r id .   R esear ch   in d icate s   th at  m ax im u m   allo wab le  to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD)   in   th r ee - p h ase  cu r r en ts   is   ty p ically   5 %.  No n - lin ea r   lo ad s   co n tr ib u te  s ig n if ican tly   to   lo wer - o r d e r   h ar m o n ics,   ex ac er b ated   b y   h ig h - f r eq u en c y   r ip p les  f r o m   I GB T   s witch in g   in   in v er ter s .   Ad d r ess in g   th ese  ch allen g es,  th e  u s e  o f   an   L C L   f ilter ,   illu s tr ated   in   Fig u r e  5 ,   o n   th e   in v er ter - g r id   s id e  ef f ec tiv ely   r ed u ce s   h ig h - f r e q u en c y   r ip p les,  en s u r in g   co m p lian ce   with   T HD  s tan d ar d s   an d   en h a n cin g   s y s tem   ef f icien c y   [ 2 3 ] .       3.   CO NT RO L   SYS T E M   3 . 1 .       M P P T   T h e  MPPT  alg o r ith m   is   cr itical  in   PV  s y s tem s   to   m ax im ize  p o wer   g en e r atio n   b y   co n tin u o u s ly   ad ju s tin g   o p e r atin g   c o n d itio n s .   Nu m er o u s   MPPT  alg o r ith m s   in   th e  liter atu r e   aim   to   e n h an ce   e f f icien cy   in   p o wer   tr ac k in g .   A  r ec e n t  s tu d y   in tr o d u ce d   an   alg o r ith m   s u r p ass in g   th e  tr ad itio n al  P& O  t ec h n iq u e,   o f f e r in g   im p r o v e d   p o wer   tr ac k i n g   a n d   o s cillatio n   elim in atio n   c ap ab ilit ies.  T h is   alg o r ith m   i n teg r ates  a  v o ltag e   r eg u lato r   to   m in im ize  v o ltag e   er r o r s   b etwe en   th e   PV  p an el   an d   th e   MPPT  b lo ck .   Fo r   f u r th er   d etails  o n   t h is   ad v an ce m e n t,  r ef er   to   [ 2 4 ] .   Fi g u r e  6   illu s tr ates th e  p r in cip le  o f   th is   s tr ateg y .           Fig u r e  6 .   MPPT  P& O - b ased   P I   co n tr o ller       3 . 2 .     SVPWM c o ntr o l t ec hn i qu e   SVP W M  is   em p lo y ed   to   c o n t r o l  th e  in d iv id u al  s witch es  o f   th e  th r ee - p h ase  in v e r ter   b y   g en er atin g   p r ec is e  co n tr o l  p u ls es.  Un lik e   s in u s o id al  PW M,   wh er e  d u ty   cy cles  ar e  d eter m in ed   b y   s im p le  co m p ar is o n s ,   SVP W M  ca lcu lates  d u ty   c y cle  r atio s ,   o f f er in g   s ev er al   ad v a n tag es  as  p r e v io u s ly   m en tio n e d .   Fo r   a  th r ee - p h ase   two - lev el  in v er ter ,   SVPW M  u tili ze s   eig h t  d is tin ct  s tates,  ea ch   co r r esp o n d in g   to   a  s p ec if ic  v o ltag e  s p ac e   v ec to r .   I n   th is   m o d u latio n   tech n iq u e,   th e  th r ee - p h ase  r ef er e n ce   v o ltag es  ∗ ,  ∗ ,   an d   ∗   ar e  tr an s f o r m ed   i n to   th e  α β p lan e  u s in g   C lar k e' s   tr an s f o r m atio n ,   c o m p u te d   as sh o wn   in   ( 2 2 ) .   T h e  SVM  ac h iev e s   its   r esu lts   th r o u g h   th e  s tep s   o u tlin ed   in   [ 1 4 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 4 1 1 - 1 4 2 3   1418   [ ] = [ 1       − 1 2           − 1 2         0       √ 3 2       − √ 3 2 ] [ ∗ ∗ ∗ ]       ( 2 2 )     3 . 3 .     Sy nchro niza t io n a lg o rit hm   I n   g r id - co n n ec ted   PV  s y s tem s ,   s y n ch r o n izin g   th e  in v er ter   o u tp u t  with   th e   g r id   v o ltag e  i s   ess en tial   f o r   s tab le   o p e r atio n .   T h is   s tu d y   u tili ze s   th e   d q PLL   m eth o d   f o r   ac c u r ate  f r eq u e n cy   an d   p h a s e  d etec tio n ,   ev en   in   n o is y   co n d itio n s .   Fig u r e   7   illu s tr ates   th e  im p lem en tatio n   o f   th e  d q PLL ,   wh ich   in v o lv es  th e  Par k   tr an s f o r m atio n   (  −  ) ,   a  p r o p o r tio n al  in teg r ato r   ( PI)   r eg u lato r   f o r   f ilter in g ,   an d   an   in teg r ato r   f u n ctio n in g   as th e  v o ltag e - co n tr o lled   o s cillato r   ( VC O) .   T h e  o u tp u t g e n er ates th e  u tili ty   g r id   p h ase  an g l e  ( θ)   [ 2 5 ] .           Fig u r e  7 .   PLL   b lo ck   d iag r am       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   I n   th is   s tu d y ,   we  m o d ele d   h y d r o g en   p r o d u ctio n   u s in g   a  PV  s y s tem   m an ag ed   b y   a n   im p r o v ed   MPPT   alg o r ith m .   T h e  elec tr o ly ze r   ce ll  m o d el  is   p r esen ted   in   Fig u r e  8 .   I t  h ig h lig h ts   th e  in teg r ati o n   an d   i n ter ac tio n s   o f   th e  s y s tem ’ s   k ey   c o m p o n en ts .           Fig u r e  8 .   MA T L AB /Si m u lin k   s im u latio n   o f   th e  PEM   elec tr o ly ze r         T h e  s im u latio n   r esu lts   in   Fig u r e  9   s h o ws  th at  in cr ea s in g   in p u t  cu r r en t  lead s   to   h ig h e r   ce ll  v o ltag es,  d r iv en   b y   en h an ce d   wate r   m o l ec u le  d is s o ciatio n .   Fig u r e   9 ( a)   illu s tr ates  th e  v o ltag e  v ar iatio n s   with   r esp ec t   to   th e  o p e r atin g   tem p er atu r e  o f   th e  PEM   elec tr o ly ze r ,   wh e r e  th e  ce ll  v o ltag e  c o m p r is es  r e v er s ib le,   ac tiv atio n ,   an d   o h m ic  o v e r v o ltag es.  T h e s e  f in d in g s   co n f ir m   th e  c r itical  r o le  o f   tem p er atu r e  i n   o p ti m izin g   elec tr o ly ze r   p er f o r m an ce .   T h e  g r ap h ical  r esu lts   in   Fig u r es  9 ( b )   an d   9 ( c )   d ep ict  h o w  b o th   o h m ic  an d   ac tiv atio n   v o ltag es  d ec r ea s e  as  th e  o p er atin g   tem p er atu r e  r is es.  T h is   is   attr ib u ted   to   h i g h er   r ea ctio n   r ates  an d   r ed u ce d   elec tr o ly t e   r esis tan ce ,   wh ich   im p r o v e   io n   tr an s p o r t  t h r o u g h   th e   elec tr o ly te  a n d   elec tr o d e   r ea ctio n s .   Ad d itio n ally ,   th e   s im u latio n   o f   th e   I - V  an d   P - V   cu r v es  o f   th e  PV  ar r a y   at  d if f er en t  ir r a d ian ce   lev els  in   Fig u r e  1 0   u n d er s co r es   th e  d ir ec t  in f lu en ce   o f   s o lar   ir r ad ian ce   o n   cu r r en t  an d   v o ltag e  o u tp u t.  W ith   a  s o lar   ir r ad ian ce   o f   1 0 0 0   W /m ²,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Op timiz ed   co n tr o l a n d   s imu la tio n   o f a   g r id - in teg r a ted   p h o to vo lta ic  a n d   fu el  ce ll   …   ( A ma l  S a tif )   1419   th e  PV  ar r a y   g en er ates  a   s ig n if ican tly   h ig h er   cu r r e n t  th a n   at  lo wer   ir r ad ian ce   lev els,  wh ich   alig n s   with   th e   p r in cip le  t h at  in c r ea s ed   s o lar   ir r ad ian ce   b o o s ts   lig h t - g en er ated   cu r r en t  i n   th e   PV  g en er ato r .   T h e  p r o p o s ed   P& O  MPPT  alg o r ith m   ex h ib i ted   s u p er io r   p er f o r m an ce   o v e r   co n v e n tio n al  m eth o d s ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  1 1 ,   with   m in im al  p o wer   o s cillatio n s   an d   co n s is ten t tr ac k in g   ac c u r ac y   ac r o s s   v ar y in g   ir r ad ian c e  co n d itio n s .   T h e  r esu lts   d ep icted   in   Fig u r e  1 1   d em o n s tr ate  th at  th e  p r o p o s ed   co n tr o l  alg o r ith m   ef f ec ti v ely   ad ap ts   to   ch an g es  in   s o lar   ir r ad ia n c e .   T h e  o u tp u t  p o wer   ex h ib it s   m in im al  o s cillatio n s ,   an d   th e  s y s tem   r eliab ly   m ain tain s   its   tr ac k in g   tr ajec to r y .   T h is   in d icate s   th at  th e  p r o p o s ed   MPPT  alg o r it h m   o f f e r s   s u p er io r   p er f o r m an ce   co m p ar e d   to   co n v en tio n al  m eth o d s .         ( a)     ( b )         ( c)     Fig u r e  9 .   Op e r atin g   tem p er atu r es e f f ec t o n   t h e  d if f e r en t v o ltag es                 Fig u r e  1 0 .   I - V  an d   P - V  ch ar ac ter is tics   at  co n s tan t/v ar ian t te m p er atu r e/so lar   ir r ad ian ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 4 1 1 - 1 4 2 3   1420         Fig u r e  1 1 .   C o m p ar is o n   o f   tr ac k in g   p e r f o r m an ce       I n   h y b r i d   g r i d - c o n n e c t e d   s y s t em s ,   s y n c h r o n i z a t i o n   b e t we e n   t h e   i n v e r t e r ’ s   o u t p u t   c u r r e n t   a n d   t h e   g r i d   v o l t a g e   i s   c r u c ia l   f o r   m a i n t a in i n g   a   h i g h - p o w e r   f a c t o r .   T h i s   s t u d y   e m p l o y s   t h e   p h a s e - lo c k e d   l o o p   ( P L L )   a l g o r i t h m   f o r   p r e c i s e   s y n c h r o n i z a t i o n ,   a s   d e m o n s t r a t e d   i n   F i g u r e   1 2 ( a ) ,   w h e r e   P L L   a c c u r a t e l y   e x t r a c t s   t h e   g r i d   v o l t a g e   p h a s e   a n g l e   a n d   m a i n ta i n s   c o n t i n u o u s   s y n c h r o n i z a t io n   u s i n g   t h e   ( d q )   r e f e r e n c e   f r a m e   t r a n s f o r m a t i o n .   T h e   s u c c e s s f u l   i m p l e m e n t at i o n   o f   t h e   S V M   a l g o r i t h m   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 2 ( b ) ,   w i t h   s w it c h i n g   s i g n al s   g e n e r a t e d   t o   c o n t r o l   t h e  i n v er t e r   a r m s .   T h e   s y s t e m ’ s   r o b u s t n es s   a n d   t h e  e f f e c t i v e n ess   o f   P L L   a r e  f u r t h e r   v a l i d a t e d   b y   s i n u s o i d a l   s i g n a ls   m a t c h i n g   t h e   i n p u t   v o l t a g e   a m p l i t u d e ,   a s   i l l u s t r at e d   i n   F i g u r e   1 3 .   P e r f o r m a n c e   e v a l u a t i o n   o f   t h e   i n v e r t e r   t o p o l o g y   w i t h   a n   L C L   f i l t e r ,   m o d e le d   i n   M A T L AB - S i m u li n k   a t   a   5 0   H z   f u n d a m e n t a l  f r e q u e n c y ,   c o n f i r m s   i t s   a b il i t y   t o   r e d u c e   h i g h - f r e q u e n c y   r i p p l e s .   Fi g u r e   1 4   s h o w s   t h e   v o lt ag e   w a v e f o r m s   a f t e r   f i l t e r i n g ,   d e m o n s t r a t i n g   s m o o t h   a n d   s t a b l e   o u t p u t   v o l ta g e   s u ita b l e   f o r   g r i d   c o n n e c t i o n .         ( a)       ( b )     Fig u r e  1 2 .   Sy n ch r o n izatio n   an d   co n tr o l p r o ce s s es in   a  h y b r id   g r id - c o n n ec ted   s y s tem   ( a)   p h ase  an g le  an d   s ec to r   allo ca tio n   ( b )   th r ee - p h a s e  in v er ter   co n t r o l sig n als   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.