Abstract    This paper studies power management in a grid-tied hybrid energy system consisting of photovoltaic array, wind turbine, fuel cell, electrolyzer, hydrogen storage tank and a combinational heating system to supply the thermal and electrical demand of a building. Moreover, the hybrid system is capable of exchanging power with local grid. Thus, variable daily buying and selling tariffs are also taken into account so as to cover a wide range of operational conditions. The thermal demand is supplied by both electric heating system and the fuel cell exhaust heat. The paper formulates the matter in the form of a nonlinear constrained optimization problem and then evaluates several well-known heuristic optimization techniques. The performance of each of these algorithms is discussed in detail and the elite algorithm is introduced. Furthermore, the effect of the initial charge of the hydrogen storage tank on total operation cost and also charge remained are fully discussed. In order to fulfill this intention, a novel criterion is presented to determine the optimal initial charge. Finally, the price fluctuations of tank-stored hydrogen are examined. The validation of the results will be implemented based on simulations.

Keywords    Hybrid system, Power management, Fuel cell, Electrolyzer, Wind turbine, Photovoltaic array, Interior search algorithm

چکیده    این مقاله مساله­ بهنیه ­سازی مدیریت توان در یک سیستم انرژی هیبریدی را مورد مطالعه قرار می ­دهد. منابع انرژی در سیستم هیبریدی یاد شده مشتمل بر آرایه فتوولتائیکی، توربین باد و پیل ­سوختی هستند. به ­منظور فراهم ­آوری یک سیستم تولید پایدار، یک دستگاه الکترولایزر، تانک ذخیره هیدروژن، منبع ذخیره آب و یک سامانه گرمایش ترکیبی نیز بدین سیستم افزوده شده است. ساختار این سیستم جامع هیبریدی به گونه­ای انتخاب شده است که خلاهای موجود در تحقیقات پیشین را پوشش دهد. افزون­ براین، سیستم هیبریدی یادشده به شبکه سراسری متصل بوده و می­ تواند انرژی تولیدی خود را با شبکه تبادل نماید. برای پوشش شرایط عملیاتی حاکم بر سیستم قدرت، نرخ­های تبادل انرژی با شبکه سراسری به­ صورت متغیر در 24 ساعت شبانه ­روز در نظر گرفته می ­شود. دیماند در مساله تحت بررسی دارای دو بُعد الکتریکی و گرمایشی است که نیازگرمایشی به­ طور توامان توسط حرارت بازیابی شده از پیل­سوختی و سیستم گرمایش ترکیبی تامین می ­شود. مقاله حاضر در قالب یک شیوه ابتکاری به فرموله­بندی مساله مدیریت انرژی شامل تابع هدف و محدودیت­ های فنی و عملیاتی هر یک از زیر سیستم ­ها مبادرت می­کند. این پژوهش، چندین الگوریتم­ بهنیه­سازی شناخته­شده را در قالب یک مساله­ی غیرخطی و محدودیت­دار مدیریت بهنیه انرژی مورد ارزیابی قرار می ­دهد. کارایی این الگوریتم ­ها به ­طور مبسوط مورد بحث و بررسی قرار گرفته و الگوریتم زُبده معرفی می ­شود. همچنین، تاثیر پارامتر شارژ اولیه تانک ذخیره­ی هیدروژن بر روی هزینه تمام شده­ی تامین انرژی و نیز نوسانات قیمت هیدروژن محبوس در کپسول مفصلاً بحث می­شود. به ­همین منظور، یک شاخص ابتکاری جهت تعیین مقدار بهینه شارژ اولیه تانک ارائه می ­شود. تمامی نتایج بر پایه شبیه­سازی ­های انجام شده مورد صحه­ گذاری قرار می­ گیرند.

References      1.     Najafpour, G., Mehdizadeh, S. and Asadi, M., "Environmental impact of fossil fuel utilization in neka thermal power plant", International Journal of Engineering, Transactions B: Applications,  Vol. 23, No. 2, (2010), 115-120. 2.     Yazici, M.S., Yavasoglu, H.A. and Eroglu, M., "A mobile off-grid platform powered with photovoltaic/wind/battery/fuel cell hybrid power systems", International Journal of Hydrogen Energy,  Vol. 38, No. 26, (2013), 11639-11645. 3.     Deshmukh, M. and Deshmukh, S., "Modeling of hybrid renewable energy systems", Renewable and Sustainable Energy Reviews,  Vol. 12, No. 1, (2008), 235-249. 4.     Zahedi, A., "Technical analysis of an electric power system consisting of solar pv energy, wind power, and hydrogen fuel cell", in Power Engineering Conference,. AUPEC. Australasian Universities, IEEE. (2007), 1-5. 5.     Ipsakis, D., Voutetakis, S., Seferlis, P., Stergiopoulos, F. and Elmasides, C., "Power management strategies for a stand-alone power system using renewable energy sources and hydrogen storage", International Journal of Hydrogen Energy,  Vol. 34, No. 16, (2009), 7081-7095. 6.     Alam, M.S. and Gao, D.W., "Modeling and analysis of a wind/pv/fuel cell hybrid power system in homer", in Industrial Electronics and Applications,. ICIEA. 2nd IEEE Conference on, IEEE. (2007), 1594-1599. 7.     Hakimi, S., Tafreshi, S.M. and Kashefi, A., "Unit sizing of a stand-alone hybrid power system using particle swarm optimization (PSO)", in Automation and Logistics, IEEE International Conference on, IEEE. (2007), 3107-3112. 8.     Lagorse, J., Simoes, M.G., Miraoui, A. and Costerg, P., "Energy cost analysis of a solar-hydrogen hybrid energy system for stand-alone applications", International Journal of Hydrogen Energy,  Vol. 33, No. 12, (2008), 2871-2879. 9.     Uzunoglu, M., Onar, O. and Alam, M., "Modeling, control and simulation of a pv/fc/uc based hybrid power generation system for stand-alone applications", Renewable Energy,  Vol. 34, No. 3, (2009), 509-520. 10.   Ranjbar, M.R. and Mohammadian, M., "Economic analysis of hybrid system consists of fuel cell and wind based chp system for supplying grid-parallel residential load", Energy and Buildings,  Vol. 68, No., (2014), 476-487. 11.   Rouholamini, M. and Mohammadian, M., "Energy management of a grid-tied residential-scale hybrid renewable generation system incorporating fuel cell and electrolyzer", Energy and Buildings,  Vol. 102, No., (2015), 406-416. 12.   Silva, S., Severino, M. and De Oliveira, M., "A stand-alone hybrid photovoltaic, fuel cell and battery system: A case study of tocantins, brazil", Renewable Energy,  Vol. 57, No., (2013), 384-389. 13.   El-Sharkh, M., Tanrioven, M., Rahman, A. and Alam, M., "A study of cost-optimized operation of a grid-parallel pem fuel cell power plant", Power Systems, IEEE Transactions on,  Vol. 21, No. 3, (2006), 1104-1114. 14.   El-Sharkh, M., Tanrioven, M., Rahman, A. and Alam, M., "Cost related sensitivity analysis for optimal operation of a grid-parallel pem fuel cell power plant", Journal of power sources,  Vol. 161, No. 2, (2006), 1198-1207. 15.   El-Sharkh, M., Tanrioven, M., Rahman, A. and Alam, M., "Impact of hydrogen production on optimal economic operation of a grid-parallel pem fuel cell power plant", Journal of power sources,  Vol. 153, No. 1, (2006), 136-144. 16.   Mirjalili, S., Mirjalili, S.M. and Lewis, A., "Grey wolf optimizer", Advances in Engineering Software,  Vol. 69, No., (2014), 46-61. 17.   Ardalan, Z., Karimi, S., Poursabzi, O. and Naderi, B., "A novel imperialist competitive algorithm for generalized traveling salesman problems", Applied Soft Computing,  Vol. 26, No., (2015), 546-555. 18.   Gandomi, A.H., "Interior search algorithm (isa): A novel approach for global optimization", ISA transactions,  Vol. 53, No. 4, (2014), 1168-1183. 19.   Kashan, A.H., "A new metaheuristic for optimization: Optics inspired optimization (oio)", Computers & Operations Research,  Vol. 55, No., (2015), 99-125. 20.   Li, X. and Yin, M., "Modified cuckoo search algorithm with self adaptive parameter method", Information Sciences,  Vol. 298, No., (2015), 80-97.