Indonesi an  Journa of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   10 ,  No.   3 June   201 8 ,  pp 1080~ 1089   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 0.i 3. pp 1080 - 1089          1080       Journ al h om e page http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Optimi zation  of  PV Syste ms Usin g Data Mi nin g   and Reg ression  Learner  MPPT T ec hn iqu es       Ad ed ayo M . F aray ola Ali  N  Hasan Ah me d A li   Depa rtment  o E le c tri c al E ngin eering  T ec hnolog y ,   Univer si t y   of   Johanne sburg,   South Afri c a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   N ov   1 9 , 201 7   Re vised  J an   21 , 201 8   Accepte Ma r   11 , 201 8       Supervised  m achine   l ea rn ing  t e chni ques  such  a art ifici al   n eur al   ne twork  (AN N)  and  ANFIS  are   powerful   tool s   used  to   tra c the   m axim um   po wer   point   (MP PT)  in  photovoltaic   s y stems .   How eve r,  th ese   offl ine   MP PT  te chn ique s   stil req uire   l arg an ac cur a te   tr ai n i ng  dat sets  for  succ essful   tra ck ing .   Th is  pa per   pre sents  an  i nnovat iv use  of  rat ional  quadr atic  gaus sian   proc ess  reg ression  (RQGPR)  t ec hniqu to  gene rate  the   la rg and  v e r y   ac cur ate  tra in ing   dat req uir ed  for  MPPT  ta sk.  To  conf irm  the   eff ec t ive ness   of  the   RQG PR   t ec hniqu e,   the   co m bina ti on  of  A NN   and  RQG P as  AN N - RQG PR   te chn i que  result were   compare with  the   conve nt i onal   AN N   te chn ique   r esults ,   and  that  of   combined  AN and  li ne ar  sup port  ve ct or   m ac hine   reg r ession  as  ANN - LSV te chni que  res ult under   diffe r ent   wea th er   condi ti ons .   Result show   tha AN N - RQGPR  te chni que  produc ed   t he  over a l l   best  resul t and  w it an  improved   per form anc e .      Ke yw or d s :   ANN   Data m ining  te chn i qu e   MPPT   Photo vo lt ai c s yst e m   Suppor t  v ect or m achine   Copyright   ©   201 8   Instit ut o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Ali N. Has an   Dep a rt m ent o f El ect rical  En gi neer i ng   Tec hnology ,   Un i ver sit y   of J oh a nnes burg ,   P.O. Bo x 5 24, Auc klan d Par k 2 006, S ou t h A fr ic a .   E m a il : alin@ uj .ac.za       1.   INTROD U CTION   Photo vo lt ai ( PV s olar  e nergy  is  cat ego r of   su sta ina bl energy  that  ge ner at es  it ene rg nat ur al ly   from   su nligh t.   This  form   of   energy  is  the  do m inant  ty pe  of   re new a bl energy  so ur ce  as  PV   ene rg is  consi der e to  be  le ss  poll utive,  ine xhausti ble,  noise   f ree,   and   read il avail able  com par ed  to  t he  f ossi fu el   e nergy  [1 ] T he   PV   cel ls  conver li gh ene r gy  into  el ect rical   or   heat  ene r gy.  H ow e ve r,   these  P cel ls  us ua ll pro du ce   lo a nd  a bnor m al   powe w hen  us ed  with ou a   work i ng  m axim u m   po wer   point  trac ki ng  ( MPPT)  con t ro ll er   [ 2].  In  sta nd - a l on e   PV   syst e m s,  MPPT  c on t ro ll ers   a re  us e to   en ha nce  the   fl ow  of  powe from   the   connecte P cel ls  to  the  con necte loa d.   I batte ry - c onne ct ed  PV   syst em s,  MPPT  te chn i qu e s   are  use to   protect   batte rie f ro m   ov e r - c ha rg i ng  an dee discha rg e   of   powe f r om   the  cel ls  [ 3 ] Als o,   MP PT  te c hniqu e s   can  i ncr ease   th eff ic ie ncy  of   PV  cel ls  du ring  col te m per at ur e   a nd  cl oudy  days  w he the   s un  ir radi ance  is   low  [ 4].  MPPT  te chn i qu es   are  cl assif ie into  th ree  cat egories:   o n li ne,   offli ne,   and   hybri MPPT     te chn iq ues  [5] - [ 10 ]   Re cent  researc has  a dopte the  us of   gl ob al   op ti m iz ation   te ch niques   su ch  a ge net ic   al go rithm   (GA),  par ti cl swar m   op ti m izati on   (P S O),  s i m ulate an ne al ing   (SA),  an bee  c olony  ( ABC)  an im pr ove conve ntion al   MPPT  te ch ni ques  s uc as   m od ifie Pe rturb &Obser ve  an m od ifie inc re m ental   cond uc ta nce  to  i m pr ove  the  tra ckin eff ic ie nc of   MPPT  co ntr ollers  in  PV  syst e m s   [5 ] [1 1 ] N eve rthel ess,  few   wor is  done  us in data  m ining   te ch niques  to  track  the  m axim u m   p ow er  po i nt  in  PV   sy stem s.  Data  m i ning  is  com pu ti ng  and   sta ti sti c al   too us e to  di scov e patte r ns,  rem ov no is e,  extract  inf orm ation   f r om   la rg data  set s an conve rsion  of   filt ered   data  set into  lo gical   structu re   fo furthe use Data  m ini ng   c om bin es   m achine  le arn in g,  sta ti sti cs,  an data base  syst e m into  a al l - in - on e   te ch nique .   Tasks   s olv e us in data  m ining  te chn iq ues   are   broa dly   di vid ed   into   six   cat egories:   cl ust er  analy sis,  ano m al detect ion cl assi ficat ion,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti miz atio n o f PV Sy ste ms U sing D ata Mi ni ng an Re gr es sion Le ar ne r…   ( Adeday M . F arayol a )   1081   su m m arization,  regressi on,  and   ass ocia ti on   ru le   le arn i ng   (d e pe nd e ncy  m od el li ng [ 12 ]   Cl us te ana ly sis  is   us e to  le ar the  sim il arit ies  that  exist  in   data  set s.  A no m al detection   detect th error   i dat set s.  Cl assifi cat ion   si m plifie the  known  str uctur in  new   da ta   set s.  Su m m arizat ion   off ers  an  ext ra  com pact   represe ntati on   of  the  data  set w hile  re gr e ssion  le ar ning  est i m at es  the  rela ti on s hip   with   da ta   set an at tem pts   to  find   f un ct ion   that  m od el the  data  set with  le ast   err or.  Re gr e ssio le arn i ng   us es  predict ive  analy sis  to  ob ta in  m or e   accurate  res ul ts  fr om   decisi on   s upport   syst e m Dep end e ncy  m od el li ng   exam ines  the   relat ion s hip s  wi th v a riables  [13 ].   The  c ontrib ution  of  t his  pa pe is  to   intr oduc the  us of  par ti cula cl ass   of  data  m ining   te ch nique s   known  as  regr ession  le ar nin al gor it hm   fo op ti m iz a ti on   an im pr ove m ent  of   MP PT  co ntr ollers   in  PV   syst e m s.  The  r egr es sio le arni ng  alg or it hm s co nsi der e are  li near  sup port v ect or m achine ( LSV M re gr e ssio te chn iq ue  a nd   rati onal   qua dr at ic   gau s sia process  re gressi on  (RQ G PR)  te ch nique T he se   re gre ssion   al gorithm us few   real - tim sam ples  to  gen erate  the  ne data  set need e to  trai the  ANN  f or   MP P ta sk Seco nd   c on tri bu ti on  is  wo r done  to  e valuate  the  fe asi bili ty   of   the  two  pro po se regressi on   l earn i ng  al gorithm (LSV a nd   R Q GP R)  t hat  we re  com bin ed  s epar at el with   ANN  as  A N N - L SV a nd   ANN - RQGP te ch ni qu res pecti ve ly   for  the  en han cem ent  of   MPPT  te chn i ques  in  P syst e m un der   dif fer e nt   weathe c onditi on s .   The  syn opsis  of   this  p a pe is  pr e par e as  fo ll ows,  sect io will   pr ese nt  su m m ary  of   the  use MPPT  te ch niques.  In  sect io 3,   re port  of   the  ex pe rim e nt  set up  a nd   m et ho is  pro vid e d.   Sect ion  will   pr ese nt the  r es ults, a nd secti on  5 wil l i nclu de  the c on cl us io ns .       2.   MPPT T E CHNIQ UES   The  te c hn i qu e s  u se i this  stud y a re  br ie fly   discusse d :     2.1 .      Li ne ar - S upp ort   Vec to r  Machine  (LS VM)   Suppor t   vect or  m achine  (SV M)  is  a   po pu la m achine  le ar ning  te c hn i qu e   us e f or  cl ass ific at ion   a nd   regressio a nal ysi s.  SV re gressi on tech nique  was fir st i nt rod uced by   Vladim ir V a pn i k i 19 92 and  ha s b ee widely   us e t s olv patte r rec ogniti on   pro blem s par ti cl identific at ion   prob le m s an op ti m i zat ion  pro blem s  [ 5]. Ex am ples o SV M regressi on  techn iq ues  inc lud e the f ine S VM, m ediu m   SV M, coa rse - ga us sia SV M,  a nd  li ne ar  s upport  ve ct or   m achin e   (LSVM re gressi on  te ch ni qu e   [ 13 ] The   LSV regre ssion   te chn iq ue   ai m s   at   fin di n li near  f unct ion  f (x)  with  t he  m ini m al   no rm   va lue  ( β’β t hat  m akes  the  f un ct ion  f(x)   t be  as  fl at   as  possible  us in wh at   is   ca ll ed  pri m a fo rm ula  an dual   form ula.  Th pr im al   fo rm ula  is  br ie fly   desc rib e us in Eq ua ti on (1 - 2) ,   w hile  E quat io ns  ( 3 - 6)  il lustrate   the  w orkin pr i nciple  for  t he  du al   form ula u sed  in  li nea S VM  r egr es sio a naly sis     f ( x ) x b               ( 1 )     N * nn n1 1 J ( ) C ( 2             ( 2 )     NN * * ' i i j j i j i 1 j 1 1 L( ) ( ) ( ) X X V 2               ( 3 )     NN ** i i i i i i 1 i 1 V ( ) y ( )               ( 4 )     N * n n n n1 ( ) x .               ( 5 )     N *' n n n n1 f ( x ) ( ) ( x x ) b .             ( 6 )     Wh e re  xn   a re   the  data  set c om pr isi ng   of   obse rv at io ns,  yn  is  the  re sp onse εn   an εn de note   th sla ck   var ia bles for  e ach  po i nt, whil e αn a nd αn a re  non - ne gativ e m ult ipli ers  f or eac h ob se r vation x n   [14 ]       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   10 , N o.   3 June   2018   :   1080    1089   1082   2.2.    Ratio na l  Qu ad r at ic - G au ssi an  P roce ss R e gressi on   Ra ti on al   quad r at ic   gau ssia proces re gr es sion   (RQ GP R is  ty pe  of  ga us sia p ro ces s   regressi on   (G PR te ch nique  t hat  us es  rat ion al   q ua dr at ic   kernel  (c ovari ance)  i s olv in g   opti m iz a ti on ,   regressio n,   t ra i nin and   pr e dicti on   prob le m [1 5 ] The  re gr ess ion   kernel  hel ps   to  de te rm i ne  the  cha ract erist ic (e.g.  f it ness,   sm oo thn ess pe rio dici ty et c.)  of  a   f un ct io f ( x) .   T he  R QGPR  ke r nel  is  denote d   usi ng  E quat io ( 7).  T he   RQGP te c hniqu e xh i bits  so m si m il arities  with  the  s qu a re ex pone ntial   GP w he the  scal m ixtur par am et er  (σ)   f ro m   E qu at io ( 7)   a ppr oach e zero   [16 ] T he  above - m entioned   s qua re  ex po nen ti al   GP k ern el   can  be rep rese nted usi ng E qu at ion   (8),       2 2 rq 2 ( x x ) K ( x , x ) [ 1 ] 2l              ( 7 )     2 2 se 2 ( x x ) K ( x , x ) . e x p [ ] 2l              ( 8 )     Wh e re  K   ( x,  x’)   is  the  co va riance  ke rn el ,   va riable  an d   x’   a re  the   i nput  var ia bles,   σ 2   is  the   m a xim u m   cov a riance a nd  l   is  the scal ed - le ng t use to d et erm ine  how  qu ic kly  G PR  va ries  with   the  in put  va riable  ( x) .   Othe e xam ple s of  GP kerne ls i nclu de  m at e rn s/2 ke rn el ,  a nd exp on e ntial  G PR  ke rn el   [ 17 ] - [18 ]     2.3.    Art ific ial  N eur al  Net w ork (AN N)   ANN  is  m ac hin le ar ning  te chn i qu th at   works  li ke  the  hu m an  br ai and   is  us e to   so lve  bot li near   an non - li near   ta s ks ANN  c om pr ise of   t hr ee  la y ers;  the  in put  la ye r,   hidde n   l ay er,  an the   ou t pu t     la ye [1 9 ] T he   inp ut  la ye re cei ves  the  inf orm ation   (traini ng   data),  proce sses  the  data  thr ough   le arn i ng,  an giv es  ou pr e di ct ed  outp ut  dat thr ough  the  outp ut  la ye r.   Th hidden  la ye is  an  inv isi ble  la ye with  it outp ut   interco nnect ed   to  the  in puts  of  so m oth e ne uro ns   [ 20 ] I photov oltai syst e m s,  AN N   input  va riables can be   the irr adia nce (G) ,   te m per at ure (T) , ope ci r cuit vo lt age (V oc w hile t he  ANN  predict e d respon se ca be  duty   cy cl (D ),   pr e di ct ed  current,  predict ed  vo lt a ge or   pr e dicte PV   po wer.    Th ANN  ne uro ns  process,  e val uate   the  input  sig na us ing   li nea m et ho d,   t hen   c om par with  it s   su m   by  m ean of   non - li ne ar  f un ct io known  as   act ivati on   f unc ti on a nd   s en ds  the  co ns e qu e nce  to  oth e ne uro ns ANN  has  tw com m on   ty pe s,  the  f eed - forw a r d neural  n et w ork  and t h recurre nt  ne ur al   netw ork [ 21 ].   A ne uro i s m od el le us i ng equati on  (9)     M mm m1 Z X W               ( 9 )     wh e re  the  in put  var ia bles   are d en oted  by  X 1 ,   X 2 X 3 …,  X an the  res pec ti ve  weigh of  the  ind i vidual  inputs  are  denoted   by   W 1 ,   W 2 ,   W 3,  …,  W m   res pec ti vely   [5 ] [22 ] Ma them at ic a l ly the  ne uro ns  in  the   hi dden   la ye r   can  be  est im ated   us in e quat ion ( 10),      io he ( N N ) NN 2              ( 10 )     wh e re  N is  th hid de la ye r,  N i   is  the  inpu la ye r,   and   N is  the  ou t pu l ay er.  So m drawb ac ks   with  ANN   te chn iq ue  i nclud l onge pr oc essing  ti m fo la r ge  netw orks com plexity   of   the  A NN   al gorithm and  ANN   proce dure  dem ands  that  the  syst e m   is  first  t raine us in pri or   data  set and   the  c ollec ti on   of   these  tra inin d at a sets m igh t be c um ber so m e [ 23 ] - [25] .       3.   SIMULATI O N MO DEL   To  in vestigat the f easi bili ty   with the use  of  r eg ressi on  lea r ning a lg or it hm s in  trac k in th e m a xi m u m   powe po i nt  in  sta nd - al one  phot ovoltai syst e m an   exp erim ent  was  co nducte us in co m ple te  photov oltai syst e m   that  inclu de so lt ech  1S T H - 215 - P pa nel,  m od ifie c uk   DC - D conver te r,   MPP T   con t ro ll er,   an 20  Ω  resist ive  loa d.   T he  tr ai ning  da ta   s et wer c olle ct ed  f ro m   PSIM   so ft war e T able  il lustrate the  sp eci ficat ions  of  the  us e PV   pan el   an the  DC - DC  conve r te in  this  study The  PV   ef fi ci ency,   load  e ff ic ie ncy, and  DC - DC c onve rter loss  w ere  ob ta ine d us ing   E quat io ns   ( 11 - 13),       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti miz atio n o f PV Sy ste ms U sing D ata Mi ni ng an Re gr es sion Le ar ne r…   ( Adeday M . F arayol a )   1083     t p v ( m a x ) t 0 t p v ( m p p t ) t 0 P . d t P V   e f f ic ie n c y   a M P P T   =   P V . d t             ( 11 )     t o u t ( m p p t ) t 0 t p v ( m p p t ) t 0 P . d t M C U K   l o a d   e f f ic ie n c y   a M P P T   =   P V . d t             ( 12 )     M C U K   L o s s e s     i n p u t   p o w e r     o u t p u t   p o w e r             ( 13 )     Wh e re  P pv( mppt is  the  1S T H - 215 - rate po wer   at   STC  (st and a r te st  con diti on) P pv( ma x)   is  the  PV   extracte powe r,  a nd  P out   is t he o utput p ow e at  t he 20  Ω resist ive.         Table  1.  T he  U sed  P V P an el  a nd MC U K DC - DC  C onve rter  Sp eci ficat ion s   So lar  Pan el Spec if icatio n s   Mcuk   Sp ecif icatio n s   PV M o d el    1 STH - 215 - P   L 1   4   m H   Stan d ard Te st Co n d itio n   1 0 0 0 W / m 2 ,  25 °C   L 2   4   m H   Maxi m u m  Voltag e  ( V mo )   2 9 .0V   C 1   1 0 0  µF   Maxi m u m  curr en (I mp )   7 .35 A   C 2   1 0 0  µF   Maxi m u m  Powe ( P mp )   2 1 3 .15 W   R 0   2 0  Ω   N -   n u m b e o f  cell  in series   60   C 0   2 7 0  µF   I sc   -   sh o rt  cir cu it c u rr en t   7 .84 A       V o   o p en  cir cu it vo ltag e   3 6 .30 V       Te m p .  coef f icien t of  I sc   - 0 .36 0 9 9 % / ° C       Te m p .  coef f icien t of  V oc   0 .10 2 % / ° C       A - Dio d e idealit y  f acto r   0 .98 1 1 7           Figure  pr ese nts  the  flo wchart  al go rithm   of   the  li near   suppo rt   vector   m ac hin (L SV M regress i on   te chn iq ue.   T he   LSV m od el li ng   was  do ne   in  three  fo lds The  first  fo l dealt   with  the  optim iz ation   an gen e rati on  of  fitness  f un ct io (yfit usi ng  LSV re gr e ss ion   ke r nel  and   few   c ollec te sa m ples  of   the  PSIM   data  set ( 19   instances in   t r ai n ing   the  m odel The  data  se ts  com pr ise   of   two  in put  va riables  ( dif fer e nt  le vels   of   ir rad ia nce(G)  a nd   te m per at ur (T ))   as  pr edict or (X)  an one  outp ut  va riable  (r e fer e nce  cu rr e nt  (Ir ef*   ) as   the   respo ns e.  T he  LSV re gressi on   kernel  was  then  us ed  to  pr e dict  the  respon ses  (Iref )   fo an  a dd it io nal  110  instances  c omprisin of  va ri ables  G   an T.   The  seco nd  f ol dealt   with  th trai ning,   te sti ng,  a nd  validat ion   of   the  LS VM  ne wly  pr e dicte data  set us i ng  ANN  te c hn i que.  T he  L SV M   gen e rated   dat s et wer e   sp l it   in  the   pro portion 7 5%  for t rainin g,  15% test ing, a nd 15%  v al idat ion .   Fo the  thi rd   f old Fi gure  di sp la ys  co m plete   sta nd - al on PV   syst e m   d esi gn e us i ng   ANN - LS VM   te chn iq ue.   T he   ANN - L SV ou t pu ( ref e re nc cur re nt  ( Ir e f*))   w as  com par ed  with  the  PV   cu rr e nt  (Ip v)   as   error  sig nal  ( Iref*    I pv).  T he   erro si gn al   w as  pas sed   th rough  a   power - in te gr al   (P I c ontrolle r   f or  fin t un i ng   and   outp uts  the   du ty   cy cl sig nal  ( D) .   The   duty   cy cl sign a was  tra ns m itt ed  th rou gh   a   pulse   wi dth   m od ulat or   (PW M as  p ulse  sig nal  that  was  us e to  ac ti vate  the  Mos fet  gate  of   t he  DC - DC  co nve rter.  Ta ble  di sp la ys  the  aver a ge  te sti ng   er ror  of   the  trai ned   A NN - LS VM  MPPT  te ch nique   us ing   total   of   12 sam ple that  com pr ise   of   10   sam ples  fr om   the  PS IM  data  set and   119  sa m ples   fr om   the   gen e rated  A N N - L SV data  set s   in the p rop or ti on 70%  trainin g,   15% test in g, an d 15%  valid at ion .   Fo r   the   rati on al   qu a drat ic   ga us sia pr oces re gr es sio ( RQGP R te c hniq ue,   sim il ar  proce dures  as   sh ow in    Fig ur 1,   a nd   blo ck  diag ram   a show in   Fi gu re  2   of  com plete   PV   syst e m   bu us in R QGPR  al gorithm   and   ANN - R QGP MPPT  te chn iq ue  we re  use d.   Ta ble  presents  the  A NN - RQ GP trai ning ,   te sti ng a nd   va li dation  sta ti sti cs.  Wh ere  va lue  of   that  is  appro ac hing   1.000 00   a nd   MSE  appr oa chin 0.000 00 v al ida t e a w el l t raine m od el .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   10 , N o.   3 June   2018   :   1080    1089   1084   S t a r t   R e g r e s s i o n   l e a r n i n g   a l g o r i t h m U s e   t h e   n e w l y   p r e d i c t e d   s a m p l e s   ( i n p u t s   G   a n d   T ,   o u t p u t   I r e f   f o r   A N N   t r a i n i n g ,   t e s t i n g   a n d   v a l i d a t i o n   ) ( 1 9   +   1 1 0     s a m p l e s )   U s e  t he  ge ne ra t e d fi t ne s s  func t i on  t o pre di c t  ne w  t ra i ni ng i ns t a nc e s (110  s a m pl e s ) S t op a t  t  =  0. 4   s Im port   f e w   P S IM  t ra i ni ng  da t a  (G , T , I pv ) for pre di c t i on (1 s a m pl e s ) G e ne ra t e  F i t ne s s  func t i on    y f i t   =   t r a i n e d C l a s s i f i e r . p r e d i c t F c n ( X )   us i ng  Re gre s s i on  l e a rni ng  K e rn e l s W he re  X  a re  t he  i n put   pre di c t ors   (G  a nd  T ) a nd  yfi t  i s  t he  ou t put   Re s pons e   (Ire f)  E rror( e ) =  Ipv    Ire f* E r r or  e  i s  p a s s e t P ID  c ont rol l e r  fo t uni ng  a nd  t o o bt a i D ut c yc l e D D ut y Cyc l e  D  i s   pa s s e d t o P W M   c ont ro l l e r a t  50K H Z   fre que nc y a s  pu l s e T o M os fe t  of  D C - D Con ve rt e r U s e  t he  A N N  s ys t e m   t o obt a i n out put  Ire f*     Figure  1. The   ANN - LS VM a lgorit hm           Figure  2. Com plete  PV syst em  d esi gn ed  u si ng AN N - L SVM  MPPT tec hniq ue       Table  2.   T he  R egr es sio (R a nd Mea n S qu a r e Er ror (M SE)  S ta ti sti cs   fo r A NN - LS VM T e chn i qu e   ANN - LSV M   Sa m p les   MSE   Reg ressio n  ( R)   Tr ain in g   91   1 .94 2 4 7 e - 9   9 .99 9 9 9 e - 1   Testin g   19   1 .26 6 0 0 e - 8   9 .99 9 9 9 e - 1   Valid atio n   19   6 .20 5 2 3 e - 7   9 .99 9 9 9 e - 1       Table  3.   ANN - R Q GP R egr essi on ( R )  and  Me a S qu are E rror  (MS E)  S ta ti sti cs   ANN - RQ GPR   Sa m p les   MSE   Reg ressio n  ( R)   Tr ain in g   91   1 .28 4 8 2 e - 9   9 .99 9 9 9 e - 1   Testin g   19   5 .33 0 8 0 e - 9   9 .99 9 9 9 e - 1   Valid atio n   19   1 .79 4 9 4 e - 7   9 .99 9 9 9 e - 1       Fo r   t he  c onve ntion al   ANN  t echn i qu e F i gure  s how th com plete   PV   syst em   desi gn e d   us in a   conve ntion al   ANN  MPPT  te chn i qu e U nlike  the  ANN - LSV an A NN - RQ GP te chn i qu e that  were   trai ned   us in optim iz ed  data  set from   the  r e gr es sio le arni ng   pr e dicti on s t he  co nventio nal  A NN   al go r it h m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti miz atio n o f PV Sy ste ms U sing D ata Mi ni ng an Re gr es sion Le ar ne r…   ( Adeday M . F arayol a )   1085   was  trai ned  us i ng  real  data  se ts  (12 insta nc es  of  G T an I ref)  t hat  we re  colle ct ed   en ti rely   fr om   the  PSIM   so ft war e   t hro ugh  a   dy nam ic   PV   sim ulati on .   Table  dis play the  erro s ta ti sti cs  fo   th co nv e ntio nal  ANN   trai ning,  te sti ng, a nd  validat ion.       Table  4.   A NN  R egr essi on ( R )  and  Me a S qu are E rror  (MS E)  S ta ti sti cs   Co n v en tio n al ANN   Sa m p les   MSE   Reg ressio n  ( R)   Tr ain in g   91   1 .06 3 0 4 e - 5   9 .99 9 9 8 e - 1   Testin g   19   1 .05 6 6 3 e - 5   9 .99 9 9 3 e - 1   Valid atio n   19   7 .10 0 1 9 e - 5   9 .99 9 9 0 e - 1           Figure  3. Com plete  PV syst em  d esi gn ed  u si ng con ven ti ona l ANN tec hn i que       4.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS   Table  a nd  F igures  4 - pr e sent  the   ta bula te res ults  a nd  the  gr a phic al   resu lt for  t he   co nduct e exp e rim ent  us ing   c onve ntio na ANN  te ch ni qu e no n - c onve ntion al   A NN - LSV a nd   no n - c onve ntio nal  ANN - RQGP MP P te chn i qu unde th ree  di fferent  weather  conditi ons  ( N OCT,  PTC an STC) T he    NO CT  is   the  norm al   op erati ng   ce ll   te m per at ur wh e re   the  irra diance  (G)  is  800  W/ m and   the  am bient  te m per at ur (T)   is  47 . 40   °C S TC  is  the  sta nd ar te st  cond it ion   wh e re  is  10 00  W /m and   is  25   ° wh il PTC  is  the   PVUS te st co nd it io n wh e re  is  1000  W/m a nd T is  20 ° C   Fo case  (NO CT) where  is  800  W m - a nd   is  47. 40   °C obta ined  resu lt show  that  the   conve ntion al   ANN  an the  non - co nventio nal  ANN - R Q G PR  te chn iq ue  had   ti (sam e)  and   best  res ults  at   bo th  the  PV  en a nd  at   the  20  Ω  resist ive - loa end   ( 73.09%  PV   e ff ic ie ncy  and   69. 79%  outp ut  loa ef fici ency )   wh il ANN - L SV disp la ye the   lo west  perform ance  ( 72.67%  PV  ef fici ency,  69.43%  loa e ff ic ie ncy).  Howe ver,  the  ANN - LS VM  exh i bited  the  lowest  DC - D con ve rter  powe loss  un de NO CT  c onditi on.   Figures  4 - di sp la the  grap hical   res ults  of   the  e xtracte PV   powe a nd   the  outp ut  loa powe from   the  P V   syst e m   us ing   conve ntion al   ANN,   non - co nv e ntio nal  A NN - LS VM,  A NN - RQ GP t echn i qu e an under  NO CT  w eat her co nd it io n.   Fo ca se  ( P TC),  w he re  G   is  1000   W m - an is  20   °C,  A NN - RQ GP ha the  best  res ult  (10 1.95 %   P V   eff ic ie ncy  a nd  97. 71%  r esi sti ve  load   eff ic ie ncy) w hile  A NN - LS VM  un derper form ed  (10 0.40 P eff ic ie ncy  an 97 . 71%  loa eff ic ie ncy) Sim il arly the  D C - DC  co nvert er  loss  in  po w er  with  ANN - LS VM  r egr es sio te ch nique  was  the   lowest  (8.56  W).  Fig ures  6 - disp la the  grap hical   res ults  of  th e   extracte P powe an the outp ut  load  pow er  from   the  PV   syst e m   us ing   ANN,  A N N - L SV M, ANN - R QGPR  te chn iq ue, a nd  unde PTC  w e at her  c onditi on .   Fo r   case   ( ST C),  where   G   is  1000   W m - a nd  T   is  25  °C,   both   A N a nd  ANN - RQ GPR   achiev e cl os res ults  at   the  P e nd   a s   eq ual  powe r and  ef fici encies  were  ext racted  f r om   the  PV   syst em   (2 12 .90   PV  pow e a nd 9 9.8 8%   PV  ef f ic ie ncy)  w he re as  the PV  pa ne did  und e r perf or m   us in ANN - L SV M ( 209.9 PV   i nput  P V   powe a nd  98. 48%  P e f f ic ie ncy).  How ever,  at   the   20  Ω  resist ive   en d,   A NN - R QGPR  ov e r perform ed  by  e xtracti ng  the  m axi m u m   ou t pu powe a nd  ef fici ency  ( 204.1 resis ti ve - loa powe a nd   95.78%  loa e ff ic ie ncy) Als o,   the  A N N - L SV MPPT  te chn i qu unde rp e rfor m ed  as  201.4 W   po w er  was   pro du ce at   the  resist ive  load  en an with  load  eff ic i ency  of   94. 45 %.  Figures  8 - disp la the  graph ic al   resu lt of  the   e xtracted   P power  an t he  ou tpu l oad  po we f r om   the  PV  syst e m   us ing  ANN,  A N N - L SV M,  ANN - R Q GP te chn iq ue, a nd  unde PTC  w e at her  c ondit ion.   In   a ddit ion at   STC,  the  ANN - L SV had  the  lowe st  DC - DC  c onve rter   powe loss  as   8.45   was   dissipated   at   the  DC - DC  c onve rter  w hile  powe dissi pated  wit A N N - RQGP M PP te chn i que  in   al the   three  en vir onm ental   con diti on   cases  ( N O CT,  PTC,  and  STC)  wer t he  highest.  Al so f ro m   the  a naly se regressio (R)   and  the  m ean - squa re - e rror   ( MSE)  re su lt sh ow in  Tabl es  2 - 4,  A N N - RQGP ha t he  be st  resu lt   wh il A NN h a t he worst t raini ng r es ult.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   10 , N o.   3 June   2018   :   1080    1089   1086   Table  5.  Res ults o the  con du c te ex pe rim ent  und e r varie d weat he c onditi ons   W eath er  con d itio n s   VALU ES   ANN   ANN - LSV M   ANN - RQ GPR     G =  8 0 0  W m - 2       = 47 .40   °C     (NOCT )     CASE 1   PV curr en t ( A )   5 .80 0   5 .71 5   5 .80 2   PV vo ltag e ( V )   2 6 .57   2 7 .04   2 6 .77   Load  curre n (A)   - 2 .72 7   - 2 .72 0   - 2 .72 7   Load  vo ltag e ( V)   - 5 4 .55   - 5 4 .41   - 5 4 .55   PV  p o wer ( W )   1 5 5 .80   1 5 4 .90   1 5 5 .80   Load  po wer  ( W )   1 4 8 .76   1 4 8 .00   1 4 8 .76   DC - DC lo ss es ( W )   7 .04   6 .90   7 .04   PV E f f icien cy   (%)   7 3 .09   7 2 .67   7 3 .09   Load  ef f icien cy  ( %)   6 9 .79   6 9 .43   6 9 .79     G =  1 0 0 0  W m - 2     = 20  ° C     (PT C)     CASE 2   PV curr en t ( A )   7 .14 1   6 .92 3   7 .15 9   PV vo ltag e ( V )   3 0 .30   3 0 .86   3 0 .25   Load  curre n (A)   - 3 .22 6   - 3 .20 5   - 3 .22 7   Load  vo ltag e ( V)   - 6 4 .52   - 6 4 .10   - 6 4 .54   PV po wer ( W )   2 1 7 .00   2 1 4 .00   2 1 7 .30   Load  po wer  ( W )   2 0 8 .14   2 0 5 .44   2 0 8 .27   DC - DC lo ss es ( W )   8 .86   8 .56   9 .03   PV E f f icien cy   (%)   1 0 1 .81   1 0 0 .40   1 0 1 .95   Load  ef f icien cy  ( %)   9 7 .65   9 6 .38   9 7 .71     G =  1 0 0 0  W m - 2     = 25  ° C     (ST C)     CASE 3   PV curr en t ( A )   7 .17 4   6 .94 5   7 .17 9   PV vo ltag e ( V )   2 9 .58   3 0 .16   2 9 .57   Load  curre n (A)   - 3 .19 4   - 3 .17 4   - 3 .19 5   Load  vo ltag e ( V)   - 6 3 .89   - 6 3 .47   - 6 3 .90   PV po wer ( W )   2 1 2 .90   2 0 9 .90   2 1 2 .90   Load  po wer  ( W )   2 0 4 .06   2 0 1 .45   2 0 4 .16   DC - DC lo ss es ( W )   8 .84   8 .45   8 .74   PV E f f icien cy   (%)   9 9 .88   9 8 .48   9 9 .88   Load  ef f icien cy  ( %)   9 5 .74   9 4 .51   9 5 .78           Figure  4. G raph  of 1 S TH - 215 - P i nput  power at  NOCT           Figure  5. G raph  of  1STH - 215 - ou t put p owe at   NO CT           Figure  6. G raph  of 1 S TH - 215 - P i nput  power at  PTC   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti miz atio n o f PV Sy ste ms U sing D ata Mi ni ng an Re gr es sion Le ar ne r…   ( Adeday M . F arayol a )   1087         Figure  7. G raph  of 1 S TH - 215 - ou t put p owe at  PTC           Figure  8. G raph  of 1 S TH - 215 - P i nput  power at  STC           Figure  9. G raph  of 1 S TH - 215 - ou t put p owe at  STC       5.   CONCL US I O N S   This  pap e pr e sents  a in nova ti ve  us of  par ti cula ty pe   of  data  m ining   te ch nique  kn own  as   the   rati on al   qu a dr at ic   gau ssia n   process  regres sion   (RQ GP R)   le arn in al go rithm   to  track  the  m axi m u m   powe po i nt  in  PV   sy stem s.  Find in gs  su ggest   that  op ti m iz ation   of  PV   syst em us ing   R QG PR  t echn i qu ca be   us ed   to  ext ract  m axi m u m   po we f ro m   phot ovol ta ic   pan el   unde diff e ren t   we at her   c on diti on s.  T he  R QGP can  su ccess fu ll ge ner at the  la r ge,   acce ptable   and   acc ur at trai ning  data  s et need e to  trai the  super vised  m achine  le arn i ng   te ch niques  l ike  ANN  an ANFIS   for  MP PT  ta sk s.  Als o,  the  m ean - squa re - e rror   (M SE)  and   regressio (R error   sta t ist ic with  RQ GP te chn i qu wer e   bette than  t ha of   co nventio nal  A NN   a nd   l inear   su pp or vecto m achine  ( LSVM re gr e ssio te chn iq ues Re su lt co nfi rm e that  R Q GP R   te chn i qu e   ex hi bited   an  im pr ov e d   trackin powe an e ff ic ie nc com par ed  to  the  li nea su pp or vecto r   m achine  (LSVM )   regressio te c hniq ue.         REFERE NCE S   [1]     Y.  Jin y ue ,   Hand book  of  Cl ea n   E ner g y   S y s te m s, 6 Volum Set ,   V olume  5,   6th ed.,   John W il e y   S ons,  2015.     [2]     A.  M.  Fara y ol a,  A.  N.  Hasan,   an A.  Ali,     "Com par ison  of  m odif ie in cre m ental  conduc t anc e   and   fuz z y   logi m pp t   al gorit hm   using  m odifi ed  cuk  co nver te r , in  8th  IEE Int ernati on al  Re newab le   E nergy   Congress   ( IRE C) ,   A mman,   Jordan,   2017 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci,   Vo l.   10 , N o.   3 June   2018   :   1080    1089   1088   [3]     A.  M.  Fara y ola,   A.  N.  Hasan,   a nd  A.  Ali ,   "Cur ve  fit t ing  pol y no m ia technique   c om par ed  to  AN FIS   te chni que  fo m axi m um   po wer  point   tra ck ing , in  8th  IEE In te rnational   Re ne wable   Ene rgy  C ongress   ( IRE C) ,   Amman,  Jordan 2017.     [4]     A.  M.  Far a y ola,   A.  N.   Hasan,  a nd  A.  Ali ,   "Im pl ementa t ion  of   m odifi ed   inc r eme nta l   conducta n c and   fuz z y   log i c   m ppt  te chn ique s   using  m cuk  con ver te r   under   var i ous  envi ronm ental  condi t ions , A ppli ed  Solar  En e rgy ,   vol .   53 ,   no .   2,   pp .   1 - 13 ,   201 7.     [5]     A.  M.  Fara y o la,  "Com par at ive   st ud y   of   diffe r ent   photovol taic  MP PT  te chn ique u nder   var ious  wea the conditions   (The sis  subm it te in  par t ia fu lfi ll m ent   for  th degr e of  Master in  Elec t ri ca Eng ineeri ng ), Unive rs it o f   Johanne sbur g ,   J ohanne sburg,   South Afri c a, 2017 .   [6]     A.  M.  Fara y ol a,   A.  N .   Hasa n,   A.  Ali ,   and   B.   Twa la,  "D istri bu ti v MP PT  appr oa ch  usi ng  AN FIS   and  Perturb& Obs erv technique un der   uniform  an par tial  shadin condi ti ons , "   i Inte rnational   Confe renc on  Arti ficial   Intelligence   and  Ev o l uti onary  Computati ons  in  Eng in ee ring  Syst ems  &   P ower,   Circui and  Informati on  Technol ogi es  ( ICPCIT - 2017) ,   India ,   2017.     [7]     S.  R.   Nandurkar  and  M.  Rajee v ,   Modeli ng  si m ula ti on  d esign  of  photovoltaic  arr a y   with   MP PT  cont rol   te chn ique s ,”   Int e rnational   Journal  of   Applied   Pow er  Engi n ee ring   ( IJA P E) ,   vol. 3 ,   n o.   1 ,   pp .   41 - 50 ,   2014.   [8]   J.   Cunli ang ,   W .   Yanxiong ,   and   W .   Ze rong ,   Photovolt a ic   arr a y   m axi m um   powe point   tr ac k ing  base on  improved  m et hod ,   TEL KOMNIKA ,   vol .   1 4,   no .   2 ,   pp .   404 - 410,   2016 .   [9 ]   A.   Jus o h,   R.   Ali k ,   T .   K   Guan ,   T .   Sutikno ,   MP P for  PV   s y stem   base on   var ia b l step   siz p&o   al gorit hm , ”  TEL KOMNIKA ,   vol. 15,   no. 1 ,   pp .   79 - 92,   2017 .   [10]   S.  Doraha ki,   surve y   on  m axim um   po wer  point   tra ck ing  m et h ods  in  photovol t ai power  s y s tem s ,”   Bul l et i n   of  El e ct rica Eng in ee ring a nd   Infor matic s ,   vo l. 4,  n o.   3 ,   pp .   169 - 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Ind on esi a J  E le c Eng &  Co m Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Op ti miz atio n o f PV Sy ste ms U sing D ata Mi ni ng an Re gr es sion Le ar ne r…   ( Adeday M . F arayol a )   1089   BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS       Adeda y M.  Fara y o la   re ceive his  Bac hel or  of   Scie nce degr e in  El e ct r ic a and  El e ct roni Engi ne eri ng  S ci en ce from   the   Univ ersity  of  L agos  i 2012,   MEn g.   Degr ee   in   El e ct ri ca l &E l ect ronic   Eng ine e ri ng  Scie nc es  fro m   the   Univer si t y   of   Johanne s burg  in  2017 .   Curre ntly   worki ng  on  his  Phd  p rogra m m at   the  Univer sit y   o Johanne sburg,  South  Afric a .   His  rese arc int er est inc lude   Mac h ine   l e arn ing ,   power  s y stems   o pti m iz ation ,   r enew abl energ y   s y stems   and  sm a rt  grid .                   Dr.  Ahm ed  Ali.   He  rec ei v ed  his  MS c.   degr ee   in  El e ct ri ca and  E l ec tron ic   E ngin eering  from   the   Univer sit y   of  Jo ha nnesburg  and  his  PhD   degr ee   i El e ct ri cal  E ng i nee ring  from   the  Univer sit y   of  Johanne sburg  in  2014  and  2017   r espe ctively .   Cur ren tly   work ing  a l ecture r   with  the   U niv ersi t y   of  Johanne sburg.  His  rese arc in te rests  are   th power  sy st ems   oper at ion  and  pla nn i ng,   el e ct ri ci t y   m ark et   an aly s is,   distri but ed  generat ion ,   power  s ystem  opti m iz atio n,   Mac hin l ea r ning  and  sm art   grid .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.