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Uso de aprendizagem de máquina e otimização multiobjetivo para estimar energia potencial de aerogeradores

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Resumo

A transição energética global tem impulsionado o crescimento da energia eólica, especialmente no Brasil, onde a fonte representa 12,8% da matriz elétrica. A operação eficiente de parques eólicos requer estratégias sofisticadas para maximizar a extração de energia, considerando a intermitência do recurso eólico e os desafios operacionais inerentes a ambientes de campo. Este trabalho propõe uma metodologia baseada em inteligência artificial para estimativa da energia potencial de aerogeradores, utilizando exclusivamente dados meteorológicos de torres de medição eólica (TME) e dados operacionais de sistemas SCADA. A abordagem integra filtragem multimodal de dados e otimização multiobjetivo via NSGA-II para seleção simultânea de fontes de dados, variáveis meteorológicas e hiperparâmetros de modelos de aprendizado de máquina, explorando o compromisso entre acurácia preditiva e complexidade operacional. A metodologia foi validada em dois aerogeradores GE de 2,5 MW localizados em Xique-Xique, Bahia, com condições operacionais distintas: o W301, em operação com vento relativamente livre, e o W310, sujeito a efeito de esteira pronunciado. Os dados compreendem 31 variáveis SCADA e medições meteorológicas de 8 TME próximas, totalizando 51.564 amostras entre janeiro de 2024 e janeiro de 2025. A filtragem de dados resultou em 65% de amostras aproveitáveis para o W301 e 63,5% para o W310, removendo períodos de paradas, limitações e operação degradada. O algoritmo NSGA-II revelou uma hierarquia geoespacial consistente na seleção de fontes, convergindo autonomamente para configurações com três TME que cobrem as condições de entrada, evolução intermediária e condições locais do escoamento. Para o W301, os modelos otimizados alcançaram R 2 de 0,984 (XGBoost) e 0,982 (MLP), frente a 0,973 do modelo de referência. Para o W310, os ganhos foram ainda mais expressivos, com R 2 de 0,973 e 0,972 contra 0,933 do modelo base, demonstrando que a metodologia agrega valor proporcionalmente maior em condições operacionais complexas. A aplicação dos modelos ao histórico completo de dados permitiu estimar perdas energéticas entre 4,7% e 6,5% do potencial disponível, com implicações diretas para gestão de manutenção e negociações contratuais. A abordagem proposta supera limitações dos métodos tradicionais baseados na norma IEC 61400-12-1, oferecendo estimativas do potencial físico real do aerogerador sem incorporar restrições operacionais como comportamento normal.

Abstract

The global energy transition has driven the growth of wind energy, particularly in Brazil, where it accounts for 12.8% of the national electricity mix. The efficient operation of wind farms requires sophisticated strategies to maximize energy extraction, given the inherent intermittency of the wind resource and the operational challenges of field environments. This work proposes an artificial-intelligence-based methodology for estimating the potential energy of wind turbines, using exclusively meteorological data from met masts and operational data from SCADA systems. The approach integrates multimodal data filtering and multi-objective optimization via NSGA-II for the simultaneous selection of data sources, meteorological variables, and machine learning model hyperparameters, exploring the trade-off between predictive accuracy and operational complexity. The methodology was validated on two GE 2.5 MW wind turbines located in Xique-Xique, Bahia, under distinct operational conditions: W301, operating under relatively free-stream wind, and W310, subject to pronounced wake effects. The dataset comprises 31 SCADA variables and meteorological measurements from 8 nearby met masts, totaling 51,564 samples collected between January 2024 and January 2025. Data filtering yielded 65% of usable samples for W301 and 63.5% for W310, removing periods of shutdowns, curtailments, and degraded operation. The NSGA-II algorithm revealed a consistent geospatial hierarchy in source selection, autonomously converging to three-met-mast configurations covering inflow conditions, intermediate flow evolution, and local conditions near the target turbine. For W301, optimized models achieved R 2 of 0.984 (XGBoost) and 0.982 (MLP), compared to 0.973 for the reference model. For W310, gains were even more expressive, with R 2 of 0.973 and 0.972 against 0.933 for the baseline, demonstrating that the methodology delivers proportionally greater value under complex operational conditions. Applying the final models to the complete historical dataset enabled estimation of energy losses between 4.7% and 6.5% of the available potential, with direct implications for maintenance planning and contractual negotiations. The proposed approach overcomes limitations of traditional methods based on IEC 61400-12-1, providing estimates of the true physical potential of the turbine without embedding operational restrictions as normal behavior.

Keywords

Wind energy, Machine learning, Power curve, Met mast, Multi-objective optimization, Genetic algorithm

Descrição

Área de concentração

Engenharia de Sistemas e Automação

Linha de pesquisa

Sistemas Inteligentes

Agência de desenvolvimento

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

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DOI

Citação

BRITO, Durval Camargo Rangel de Souza. Uso de aprendizagem de máquina e otimização multiobjetivo para estimar energia potencial de aerogeradores. 2026. 106 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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