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Tipo: Dissertação
Título: Previsão de Geração de Usina Solar Fotovoltaica Utilizando Rede Neural Artificial e Algoritmo PSO
Título em inglês: Solar PV Generation Forecast Using Artificial Neural Network and PSO Algorithm
Autor(es): Silva, André Wagner de Barros
Orientador: Leão, Ruth Pastôra Saraiva
Coorientador: Bezerra, Erick Costa
Palavras-chave em português: Energia solar;Aprendizado de Máquina;Geração de energia;Rede neural artificial;Algoritmos de Enxame;Usinas Fotovoltaica
Palavras-chave em inglês: Forecast;Machine Learning;Regression;Neural Network;Swarm Algorithms;PV Generation
Data do documento: 2023
Citação: SILVA, A.W. de B. revisão de Geração de Usina Solar Fotovoltaica Utilizando Rede Neural Artificial e Algoritmo PSO. 2023. 82f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Resumo: Considerando a natureza intermitente e a crescente inserção da geração solar fotovoltaica na matriz energética mundial nos últimos anos, é imperioso o desenvolvimento de modelos de previsão de geração cada vez mais precisos, de modo a permitir um melhor planejamento da operação de usinas fotovoltaicas e do sistema elétrico como um todo. As redes neurais artificiais têm se tornado muito populares por apresentarem resultados promissores devido a assertividade na previsão da geração fotovoltaica e desempenho robusto do modelo. A principal contribuição deste trabalho está na implementação e comparação de modelos de previsão horária de geração fotovoltaica de uma usina de 164 MWp, utilizando redes do tipo Focused Time Delay Neural Network (FTDNN). Backpropagation, Adam, otimização por enxame de partículas (do inglês, PSO), PSO Caótico (do inglês, CPSO) e PSO com fator de envelhecimento e enfraquecimento (do inglês, PSO-AWF) foram testados no treinamento da rede, enquanto o último algoritmo também foi usado na otimização dos parâmetros da arquitetura da rede FTDNN. Para fins de comparação de desempenho, foram usados os modelos de referência regressão por perceptron multicamadas, regressão linear, regressão por árvore de decisão e persistência. Com base em diferentes métricas estatísticas de desempenho, o modelo FTDNN com técnica de treinamento PSO-AWF obteve o melhor resultado dentre os algoritmos com ajuste manual de parâmetros, com raiz do erro quadrático médio (do inglês, RMSE) 18,354 MW, erro médio absoluto (do inglês, MAE) 13,784 MW, coeficiente de correlação de Pearson (R) 80,042%, raiz do erro quadrático médio normalizado (do inglês, NRMSE) 14,155% e erro médio absoluto normalizado (do inglês, NMAE) 10,631%. Dentre os modelos com ajuste automático de parâmetros e previsão horária (para 1h à frente), a rede FTDNN que utiliza PSO-AWF para estruturação e Adam para treinamento obteve a melhor performance, com RMSE 18,542 MW, MAE 13,565 MW, R 79,631%, NRMSE 14,300% e NMAE 10,462%. Além da previsão para 1h à frente, implementou-se também o modelo com ajuste automático de parâmetros para previsão 3h e 6h à frente (com e sem resolução horária), além da análise do efeito da mudança da quantidade de dados de entrada e da técnica de validação cruzada sob um dos modelos automáticos aplicados. Observou-se uma pequena melhoria no resultado na previsão para 3h e 6h à frente com resolução horária, não sendo identificado ganho para os demais modelos testados com ajuste automático de parâmetros.
Abstract: Having the intermittent character and the increasing insertion of solar photovoltaic generation (PV) in the global power plant in recent years, it is imperative to develop even more accurate forecasting models for generation, allowing better planning of the PV plant operation and the entire electrical system. Artificial neural networks have become very popular for presenting promising assertive results in predicting photovoltaic generation and robust model performance. The main contribution of this work is the implementation and comparison of photovoltaic generation hourly forecasting models for a 164 MWp power plant, using types of Focused Time-Delay Neural Networks (FTDNN). Backpropagation, Adam Optimization, Particle Swarm Optimization (PSO), Chaotic PSO (CPSO), and PSO with Aging and Weakening Factor (PSO-AWF) were tested during the network training, although PSO-AWF was also used in the optimization of the architecture parameters for the FTDNN network. For performance comparison purposes, the following reference models were used: multilayer perceptron regression, linear regression, decision tree regression and persistence. Based on different statistical performance metrics, the FTDNN model with PSO-AWF training technique obtained the best result between the algorithms with manual parameter adjustment, with Root Mean Square Error (RMSE) 18.354 MW, Mean Absolute Error (MAE) 13.784 MW, Pearson Correlation Coefficient (R) 80.042 %, Normalized Root Mean Square Error (NRMSE) 14.155%, and Normalized Mean Absolute Error (NMAE) 10.631%. Among the models with automatic adjustment of parameters and forecast for 1h ahead, the FTDNN network that applies PSO-AWF for structuring and Adam for training performed better, with RMSE 18,542 MW, MAE 13,565 MW, R 79,631%, NRMSE 14,300% e NMAE 10,462%. In addition to the forecast for 1h ahead, models for forecasting 3h and 6h ahead (with and without hourly resolution) were also implemented, besides the analysis of the effect of changing the amount of input data and the cross-validation technique on a given automatic model. A small improvement in the result was observed, for the models that provide the forecast for 3h and 6h ahead with hourly resolution, with no improvement being identified for the other models tested with automatic adjustment of parameters.
Descrição: Silva, A.W. de B. revisão de Geração de Usina Solar Fotovoltaica Utilizando Rede Neural Artificial e Algoritmo PSO. 2023. 82f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74946
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://Iattes.cnpq.br/0793888388149756
Currículo Lattes do Orientador: http://Iattes.cnpq.br/8551048513174462
Currículo Lattes do Coorientador: http://Iattes.cnpq.br/5170538042200193
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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