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Título: Previsão de velocidade do vento para produção de energia eólica utilizando redes neurais transformers
Título(s) alternativo(s): Wind Speed forecasting focusing on energy generation using transformers
Autor(es): Santos, Arthur Henrique Roseira dos
Orientador(es): Freire, Roberto Zanetti
Palavras-chave: Aprendizado do computador
Energia eólica
Análise de séries temporais
Redes neurais (Computação)
Machine learning
Wind power
Time-series analysis
Neural networks (Computer science)
Data do documento: 4-Fev-2026
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: SANTOS, Arthur Henrique Roseira dos. Previsão de velocidade do vento para produção de energia eólica utilizando redes neurais transformers. 2026. Dissertação (Mestrado em Programa de Pós-Graduação Engenharia de Produção e Sistemas (Ppgeps) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2026.
Resumo: A crescente demanda por energias renováveis exige previsões precisas de velocidade do vento para otimizar a produção de energia eólica e garantir a estabilidade do sistema elétrico. Este estudo investiga o uso de redes neurais do tipo Transformer para previsão de longo prazo da velocidade do vento, explorando suas vantagens em relação a modelos recorrentes como Long Short-Term Memory (LSTM) e Gated Recurrent Units (GRU), que enfrentam dificuldades em capturar dependências temporais de longo prazo e realizar previsões em horizontes estendidos. A principal motivação deste trabalho reside na variabilidade e imprevisibilidade dos padrões de vento, que dificultam a operação eficiente dos parques eólicos. Nesse contexto, o objetivo desta pesquisa é viabilizar o uso de redes Transformer para previsão de longo prazo da velocidade do vento. A base de dados utilizada consiste em quatro séries temporais representando a velocidade do vento, coletadas de hora em hora ao longo do ano de 2018 (totalizando 8.760 amostras) na cidade de Limoeiro do Norte – CE. Essa base foi originada a partir do MERRA-2 (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2), um sistema de reanálise atmosférica desenvolvido pela National Aeronautics and Space Administration (NASA). Adicionalmente, variáveis temporais (como dia, mês e ano) foram incorporadas para aumentar a dimensionalidade do conjunto de dados. Para mitigar a escassez de dados, empregaram-se métodos de aumento, como decomposição de séries temporais em modos, por exemplo: Variational Mode Decomposition (VMD), Improved Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise (ICEEMDAN) e Time Generative Adversarial Networks (TimeGAN). O modelo Transformer, originalmente projetado para Natural Language Processing (NLP), foi adaptado para previsão de séries temporais, utilizando variantes como o Temporal Fusion Transformer (TFT), que incorpora mecanismos de atenção esparsa para melhorar a eficiência computacional e a redução de erro das previsões. O horizonte de previsão de longo prazo foi definido em 168 horas à frente, equivalente a uma semana completa, e a avaliação dos modelos foi realizada por meio de métricas como Root mean square error (RMSE), Mean Absolute Error (MAE) e Mean Absolute Percentage Error (MAPE). Os resultados finais evidenciam melhorias significativas: o modelo TFT puro, com RMSE de 1,478 m/se MAPE de 19,24%, foi amplamente superado pelas abordagens híbridas. A melhor configuração, combinando TimeGAN e VMD ao TFT, alcançou RMSE de 0,625 m/s, MAE de 0,525 m/s, MAPE de 8,26% e DA de 88,02%, representando reduções superiores a 55% nos erros em relação ao modelo de referência. Esses achados sugerem que modelos baseados em Transformers são promissores para previsão de séries temporais meteorológicas quando aprimorados com técnicas de decomposição e aumento de dados, embora trabalhos futuros ainda sejam necessários no sentido de otimização computacional e validação mais ampla em bases multianuais.
Abstract: The growing demand for renewable energy requires accurate wind speed forecasts to optimize wind power production and ensure grid stability. This study investigates the use of Transformer neural networks for long-term wind speed forecasting, exploring their advantages over recurrent models such as Long Short-Term Memory (LSTM) and Gated Recurrent Units (GRU), which face challenges in capturing long temporal dependencies and making long-term predictions. The main motivation for this study lies in the variability and unpredictability of wind patterns, which hinder the efficient operation of wind farms. In this context, the objective of this research is to enable the use of Transformer neural networks for long-term wind power forecasting. The dataset used in this research consists of four time series representing wind speed in m/s, collected hourly throughout 2018 (a total of 8,760 samples) in the city of Limoeiro do Norte – CE. This dataset was derived from MERRA-2 (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version 2), an atmospheric reanalysis system developed by NASA. Additionally, temporal data (such as day, month, and year) were incorporated to increase the dimensionality of the dataset. To mitigate data scarcity, augmentation methods such as time series decomposition into modes (VMD and ICEEMDAN) and Generative Adversarial Networks (TimeGAN) were employed. The Transformer model, originally designed for Natural Language Processing (NLP), was adapted for time series forecasting, utilizing variants such as the Temporal Fusion Transformer (TFT), which incorporates sparse attention mechanisms to improve computational efficiency and reduction on prediction error. The long-term forecasting horizon was defined as 168 hours ahead or a full week, and model evaluation was conducted using Root mean square error (RMSE), Mean Absolute Error (MAE) e Mean Absolute Percentage Error (MAPE). The results highlight significant improvements: the pure TFT model, with RMSE of 1.478 m/s and MAPE of 19.24%, was substantially outperformed by hybrid approaches. The best configuration, combining TimeGAN and VMD with the TFT, achieved an RMSE of 0.625 m/s, MAE of 0.525 m/s, MAPE of 8.26%, and DA of 88.02%, representing reductions of over 55% in error metrics compared to the baseline. These findings suggest that Transformer-based models are highly promising for meteorological time series forecasting when enhanced with decomposition and data augmentation techniques, although future work is still required on computational optimization and broader validation with multi-year datasets.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39921
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