I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   6 9 6 ~ 7 08   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 1 . p p 6 9 6 - 7 08           696     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Perf o rma nce  enh a ncement of  phot o v o ltaic sy stems us ing  hybrid  LST M – CNN so la r f o recas ting i nte g ra ted  wit h P & O   M PP T       Sa ra   F enna ne,   H o ud a   K a ci m i,  H a m za   M a bcho ur,   F a t e hi AL t a lqi ,   Ad il E chc helh   La b o r a t o r y   o f   E l e c t r o n i c   S y st e ms I n f o r mat i o n   P r o c e ssi n g   M e c h a n i c s   a n d   E n e r g e t i c s ,   I b n   To f a i l   U n i v e r si t y ,   K e n i t r a ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   2 9 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Dec   2 2 ,   2 0 25   Acc ep ted   J an   2 3 ,   2 0 2 6       Th e   in c re a sin g   p e n e trati o n   o f  p h o t o v o lt a ic  (P V)  sy ste m s  in   s m a rt  g rid s   h ig h li g h ts  t h e   n e e d   f o r  re li a b le  so l u ti o n s  to   m it ig a te  th e   i n h e re n t  in te rm it ten c y   o f  so lar  e n e rg y .   S h o rt - term   v a riab il it y   in   s o lar  irrad ian c e   re m a in s  a   c rit ica l  c h a ll e n g e   fo r  sta b le  g ri d   o p e ra ti o n   a n d   e fficie n t  P V  e n e r g y   m a n a g e m e n t.   Th is   p a p e r  p r o p o se s  a n   i n teg ra ted   f o r e c a stin g – c o n tro l   fra m e wo rk   t h a t  c o m b in e s  sh o rt - term   g lo b a l  h o riz o n tal   irrad ian c e   (G HI)  p re d ictio n   wit h   a   c o n v e n t io n a l  P & O  M P P T   stra teg y   to   e n h a n c e   P V  sy ste m   p e rfo rm a n c e .   A   h y b ri d   LS TM – CNN   a rc h it e c tu re   is  d e v e lo p e d   to   f o re c a st  o n e - ste p - a h e a d   G HI  u n d e r   th e   se m i - a rid   c li m a ti c   c o n d it i o n s  o f   Da k h la,  M o r o c c o ,   a   re g i o n   c h a ra c teriz e d   b y   h ig h   so lar  p o te n ti a l  a n d   p r o n o u n c e d   irrad ian c e   flu c t u a ti o n s.  T h e   fo re c a stin g   m o d e l  is  v a li d a ted   u si n g   m e a su re d   irrad ian c e   d a ta  fro m   th e   Na ti o n a l  Re n e wa b le  En e rg y   Lab o ra to r y   ( NREL)  v ia  th e   Na ti o n a l  S o lar  Ra d iatio n   Da tab a se   (NSRDB).   P re d icte d   irrad ian c e   is  th e n   u se d   to   imp r o v e   P V  p o we r  e stim a ti o n   a n d   su p p o rt  p re d icti v e   m a x imu m   p o we r  p o in t  trac k i n g   ( MPP T )   o p e ra ti o n .   S imu lati o n   re su lt s   o b t a in e d   i n   M ATLAB/S im u li n k   d e m o n stra te  th a t  th e   p r o p o se d   fra m e wo rk   a c h i e v e s  a c c u ra te  G HI  fo re c a stin g ,   fa ste r  M P P T   c o n v e rg e n c e ,   re d u c e d   ste a d y - sta te  o sc il latio n s,  a n d   imp ro v e d   P V  p o we r  sta b il it y   u n d e r  ra p id l y   c h a n g i n g   i rra d ia n c e .   Th e   p ro p o se d   a p p r o a c h   p r o v i d e s   a   p ra c ti c a l  a n d   c o m p u tati o n a ll y   e fficie n t  so lu ti o n   fo r   e n h a n c in g   th e   d y n a m ic  re sp o n se   a n d   e n e r g y   e x trac ti o n   e fficie n c y   o f  P V  sy ste m s  in   sm a rt  g rid   a p p li c a ti o n s.   K ey w o r d s :   Dee p   lear n in g   Hy b r id   L STM - C NN  m o d el   P& O  MPPT  alg o r ith m   So lar   en er g y   So lar   ir r ad ian ce   p r ed ictio n   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sar a  Fen n an e   L ab o r ato r y   o f   E lectr o n ic  Sy s t em s   I n f o r m atio n   Pro ce s s in g   Me ch an ics an d   E n e r g etics,  Facu lty   o f   Scien ce s   I b n   T o f ail  Un iv er s ity   Ken itra ,   Mo r o cc o   E m ail:  s ar a. f en n an e@ u it.a c. m a       1.   I NT RO D UCT I O N    T h e   g r o win g   d em a n d   f o r   cle an   an d   s u s tain ab le  en er g y   h a s   ac ce ler ated   th e  g lo b al  d e p lo y m en t  o f   p h o to v o ltaic  ( PV)   s y s tem s ,   p o s itio n in g   s o lar   p o wer   as a   k ey   co m p o n en t o f   m o d er n   s m ar t  g r id s   [ 1 ] .   Desp ite  its   en v ir o n m en tal  an d   ec o n o m ic  ad v an tag es,  PV g en er atio n   r e m ain s   h ig h ly   v ar iab le  d u e  to   it s   s tr o n g   d ep en d en ce   o n   m eteo r o lo g ical  co n d itio n s   s u ch   as  s o lar   ir r ad ian ce ,   win d   s p ee d ,   h u m i d ity ,   an d   am b ien t  tem p er atu r e   [ 2 ] .   I n   ad d itio n ,   p o wer   elec tr o n ic  c o n v er ter s ,   th e   n o n lin ea r   b eh av i o r   o f   PV  m o d u les ,   an d   g r i d   i n ter ac tio n s   lead   to   f r eq u e n t  p o wer   f lu ctu atio n s   th at  m ay   co m p r o m is e  v o ltag e  s tab ilit y ,   p o wer   q u ality ,   an d   o v er all  g r id   r eliab ilit y   if   n o t p r o p er l y   m an a g ed   [ 3 ] .   Acc u r ate  s h o r t - ter m   PV  p o we r   f o r ec asti n g   is   th er ef o r e  ess en tial  f o r   r eliab le  g r id   o p er atio n ,   o p tim al  en er g y   s ch e d u lin g ,   an d   ef f ici en t  en er g y   m an a g em en t   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Fo r ec asti n g   also   s u p p o r ts   d em an d   r esp o n s e   s tr ateg ies  an d   en er g y   s to r ag e  p lan n in g ,   en a b lin g   h ig h er   PV  p en etr atio n   in   s m ar t  g r id s .   PV  f o r ec asti n g   m eth o d s   ar e  g en er ally   ca teg o r ized   in to   d ir ec t  ap p r o ac h es,  wh ich   esti m ate  p o wer   o u tp u t  d ir ec tly   f r o m   h is to r ical   d ata,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P erfo r ma n ce   en h a n ce me n t o f  p h o to v o lta ic  s ystems   u s in g   h yb r id   LS TM – C N N   …   ( S a r a   F en n a n e )   697   an d   in d ir ec t  a p p r o ac h es,  wh i ch   f ir s t  p r ed ict  k e y   m eteo r o l o g ical  v ar iab les   m o s t  n o ta b ly   g lo b al  h o r izo n tal  ir r ad ian ce   ( GHI )   a n d   s u b s eq u en tly   d er iv e  PV  p o wer   u s in g   an aly tical  m o d els.  GHI   r ep r es en ts   th e  co m b in ed   d ir ec t,  d if f u s e,   an d   r ef lecte d   s o lar   r ad iatio n   in cid en t  o n   a  h o r izo n tal  s u r f a ce   an d   s er v es   as  a  f u n d am en tal   in d icato r   o f   s o lar   r eso u r ce   a v ailab ilit y   [ 6 ] .   H o wev er ,   its   ac cu r ate  esti m atio n   r em ain s   ch allen g in g   d u e  to   atm o s p h er ic  v ar ia b ilit y   d r iv e n   b y   clo u d s ,   ae r o s o ls ,   an d   h u m id ity .   T r ad itio n al  p h y s ical  m o d els  r e ly   o n   d etailed   atm o s p h er ic  f o r m u latio n s   an d   ar e  m o r e  s u itab l e  f o r   lo n g - ter m   f o r ec asti n g ,   wh ile  s tatis ti ca l  an d   m ac h in e  lear n in g   ( ML )   tech n iq u es ,   s u ch   as  AR I MA   [ 7 ] ,   s u p p o r t  v ec to r   r eg r ess io n ,   r an d o m   f o r ests ,   an d   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k s   ( A NNs) ,   h av e  d em o n s tr ated   ef f e ctiv en ess   f o r   s h o r t - ter m   h o r izo n s .   Nev er th eless ,   th ese  m o d els  o f ten   s tr u g g le  u n d er   r ap id ly   ch a n g in g   wea th er   co n d itio n s .   R ec en t  ad v an ce s   in   d ee p   lear n in g   ( DL ) ,   p ar ticu lar ly   r ec u r r e n t  n eu r al  n etwo r k s ,   lo n g   s h o r t - ter m   m e m o r y   n etwo r k s ,   an d   co n v o l u tio n al  n eu r al  n etwo r k s ,   h av e  s ig n if ican tly   im p r o v ed   f o r ec asti n g   ac cu r ac y   b y   ca p t u r in g   n o n lin ea r   an d   m u ltiv ar iate  tem p o r al  p atter n s   [ 8 ] .   T o   f u r th er   en h a n ce   p r ed ictiv e   p er f o r m an ce ,   s ev er al   s tu d ies  h av e  ex p lo r e d   h y b r id   DL   a r c h itectu r es.  Atten tio n - b ased   L STM   m o d el s   [ 9 ] ,   c o m p ar ativ e   an aly s es  o f   r ec u r r e n t  n etwo r k s   u s in g   lo n g - ter m   s atellite  d ata   [ 1 0 ] ,   a n d   C NN – L STM   co m b in atio n s   [ 1 1 ]   h av e  d em o n s tr ated   im p r o v e d   ac cu r ac y   u n d er   v ar io u s   clim atic  co n d itio n s .   Ad d itio n al  in v esti g atio n s   h av e  ass ess ed   u n iv ar iate  an d   m u ltiv ar iate  h y b r id   m o d els   [ 1 2 ] ,  s p atio tem p o r al  ex te n s io n s   in c o r p o r ati n g   n eig h b o r in g - s ite  d a ta   [ 1 3 ] ,   clu s ter ed   C NN – L ST M  ar ch itectu r es   [ 1 4 ] ,  an d   s ea s o n al  f o r ec asti n g   s tr ate g ies   [ 1 5 ] .   Ov er all,   th ese  s tu d ie s   co n f ir m   th e  e f f ec tiv en ess   o f   h y b r id   DL   m o d els  f o r   s h o r t - ter m   GHI   p r e d ictio n .   Ho wev er ,   th eir   r o b u s tn ess   a cr o s s   d iv er s e  clim atic  r eg io n s ,  p ar ticu lar ly   s em i - ar id   en v ir o n m e n ts   ch ar ac ter iz ed   b y   a b r u p t ir r ad ian ce   v ar iati o n s ,  r em ain s   lim ited   [ 1 6 ] .   W h ile  ac cu r ate  f o r ec asti n g   en h an ce s   g r id - lev el  p lan n in g ,   r e al - tim e  PV  en er g y   ex tr ac tio n   d ep en d s   o n   ef f icien t  m ax im u m   p o wer   p o in t  tr ac k in g   ( MPPT) .   T r a d itio n al  MPPT  tech n iq u es  s u ch   as  p er tu r b   an d   o b s er v e   ( P& O) ,   in cr em e n tal  co n d u ct an ce ,   an d   Hill  clim b in g   a r e  co m m o n ly   im p lem e n ted   b ec au s e  th ey   a r e  s tr aig h tf o r war d   to   d esig n   an d   r eq u ir e  m in im al  co m p u tatio n a l  r eso u r ce s .   Ho wev er ,   th eir   p e r f o r m a n ce   d eg r a d es  u n d er   r a p id ly   v ar y in g   ir r ad ia n ce ,   lead in g   to   s lo w  co n v er g en c e  an d   s tead y - s tate  o s cillatio n s .   Alth o u g h   ad v a n ce d   in tellig en t  an d   m etah e u r is tic  MPPT  tech n iq u es   im p r o v e   ad ap tab ilit y ,   th ey   o f te n   in tr o d u ce   in cr ea s ed   co m p lex ity   an d   tu n in g   r eq u ir e m en ts .   C o n s eq u en tly ,   P& O  r em ain s   th e  m o s t  co m m o n ly   im p lem en ted   m eth o d   in   co m m er cial  PV  s y s tem s .   D esp ite  ex ten s iv e  r esear ch   o n   d ee p   lear n in g - b ased   s o lar   f o r ec asti n g   an d   MPPT  alg o r ith m s ,   f ew   s tu d ies  h av e   in teg r ated   h y b r id   d ee p   lear n i n g   f o r ec asti n g   with   co n v en tio n al  MPPT  co n tr o l,  p ar ticu lar ly   in   s em i - ar id   clim a tes.  T h is   d is co n n ec t  lim its   th e  p r ac tical  e x p lo itatio n   o f   f o r ec asti n g   in tel lig en ce   f o r   r ea l - tim e  PV c o n tr o l.   T o   ad d r ess   th is   g ap ,   th is   p ap er   p r o p o s es  an   in teg r ated   f r am e wo r k   th at  co m b in es  h y b r id   L S T M – C NN - b ased   s h o r t - ter m   GHI   f o r ec a s tin g   with   th e  P& O  MPPT  alg o r ith m   to   en h a n ce   PV  s y s tem   ef f icien cy   an d   s tab ilit y .   T h e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   is   v alid ate d   u s in g   r ea l  ir r ad ia n ce   d ata  f r o m   Dak h la,   M o r o cc o ,   a   s em i - ar id   r eg io n   with   h i g h   s o lar   v ar iab i lity .   Simu latio n   r esu lts   o b tain ed   in   MA T L AB /Si m u lin k   d e m o n s tr ate  im p r o v ed   f o r ec asti n g   ac cu r ac y ,   f aster   MPPT  co n v er g en ce ,   r e d u ce d   o s cillatio n s ,   an d   en h an ce d   p o wer   s tab ilit y   u n d er   r ap id ly   ch a n g in g   co n d itio n s .   T h e  m ain   co n tr ib u tio n s   o f   th is   ar ticle  ar e  s u m m ar ized   as f o llo ws:   −   Dev elo p m en t  o f   a  h y b r i d   L ST M – C NN  ap p r o ac h   f o r   ac c u r at e  s h o r t - ter m   GHI   f o r ec asti n g .   −   I n teg r atio n   o f   DL - b ased   ir r a d ian ce   p r ed ictio n   with   th e  co n v en tio n al  P& O  MPPT  s tr a teg y   to   im p r o v e   d y n am ic  tr ac k in g   p er f o r m an ce .   −   Valid atio n   u s in g   r ea l - wo r ld   d ata  f r o m   a  s em i - ar id   Mo r o cc an   clim ate,   h ig h lig h tin g   m o d el  r o b u s tn ess .   Dem o n s tr atio n   o f   im p r o v ed   PV  p o wer   s tab ilit y   an d   e n er g y   ex tr ac tio n   ef f icie n cy   th r o u g h   in te g r ated   f o r ec asti n g – co n tr o l  d esig n .   −   B y   u n if y in g   d ata - d r iv en   f o r ec asti n g   with   r ea l - tim e  P V  co n tr o l,  th e  p r o p o s ed   f r am ewo r k   s u p p o r ts   en h an ce d   o p er atio n al  i n tellig en ce ,   c o n tr i b u tin g   t o   im p r o v ed   s u s tain ab le  r en ewa b le  e n er g y   in teg r ati o n   an d   s m ar t g r i d   r esil ien ce .       2.     M E T H O D   2 . 1 .        So la r  f o re ca s t ing   mo dels   2 . 1 . 1 .   L o ng   s ho rt - t er m m e mo ry   net wo r k   L STM   n etwo r k s   we r e  d ev elo p ed   to   ad d r ess   th e   v an is h in g   an d   ex p lo d in g   g r ad ien t   lim i tatio n s   o f   co n v en tio n al  R NNs   [ 1 7 ] .   B y   em p lo y in g   m em o r y   ce lls   co n tr o lled   b y   in p u t,  f o r g et,   an d   o u tp u t  g ates,  L STM s   ef f ec tiv ely   ca p tu r e   lo n g - ter m   tem p o r al  d ep en d en cies  in   s eq u en tial  d ata,   m ak i n g   t h em   we ll - s u ited   f o r   tim e - s er ies  f o r ec asti n g .   Alth o u g h   c o m p u tatio n ally   in te n s iv e  an d   s en s itiv e  to   h y p er p ar am eter   s elec tio n ,   en h an ce d   v ar ian ts   s u ch   as  atten tio n - b ased   an d   b i d ir ec tio n al  L STM s   f u r th er   im p r o v e   f ea tu r e  r ep r esen tatio n   an d   lear n i n g   ca p ab ilit y   [ 1 8 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   696 - 7 08   698   T h e  f u n ctio n in g   o f   th e  d if f er e n t  g ates  in   a  n eu r al  n etwo r k ,   s u ch   as  th e  in p u t  g ate  it,  f o r g et  g ate  f t,  in ter m ed iate  g ate  g t,   an d   o u tp u t g ate  o t,  ca n   b e  m at h em atica lly   ex p r ess ed   as  ( 1 ) - ( 4 )   [ 1 9 ] .     = (  + ℎ ℎ − 1 + )   ( 1 )     = (  + ℎ ℎ − 1 + )   ( 2 )     = (  + ℎ ℎ − 1 + )   ( 3 )     = (  + ℎ ℎ − 1 + )   ( 4 )     T h e   s i g m o i d   a c t i v a ti o n   f u n c t i o n   i s   d e n o t e d   b y   σ .   T h e   w e i g h t   m a t r i c es   c o r r e s p o n d i n g   t o   t h e   i n p u t   X t   a n d   t h e   p r i o r   h i d d e n   s t a t e   h t - 1  a r e   i n d i c at e d   b y   W x   a n d   W h ,   r e s p ec t i v el y .   T h e   b i a s   te r m   u n i q u e   t o   e a c h   g a t e  i s   r e p r es e n t e d   b y   b .   T h e  f o r g et  g ate  f t  d ete r m in e s   wh ich   in f o r m atio n   f r o m   th e  p r ev io u s   m em o r y   ce ll  m t - 1   s h o u ld   b e   r etain ed ,   wh ile  th e  in p u t  g ate   it  ca lcu lates  th e  in f o r m atio n   to   b e  s to r ed   in   th e  cu r r en t  m em o r y   ce ll  m t.  T h e   u p d ated   m em o r y   ce ll m t is co m p u ted   u s in g   ( 5 )   [ 1 9 ] .     = + − 1   ( 5 )     Her e,   g t   r ep r esen ts   th e  in ter m ed iate  g ate’ s   co n tr ib u tio n ,   it  co n tr o ls   th e  in p u t' s   in f lu en ce ,   an d   f t   r eg u lates  th e  r eten tio n   o f   p ast in f o r m atio n .     2 . 1 . 2 .   Co nv o lutio na l  neura l  net wo rk   A  C NN  is   a  d ee p   lear n in g   ar c h itectu r e  o r ig in ally   d ev elo p ed   f o r   im ag e   r ec o g n itio n ,   b u t   it  ca n   also   b e   ap p lied   to   tim e - s er ies  an aly s is ,   as  it is   ef f ec tiv e  at  ca p tu r in g   lo ca l  p atter n s   an d   s h o r t - ter m   d ep en d en cies  with in   s eq u en tial  d ata.   C NNs  u s e  co n v o lu tio n al  f ilter s   to   ex t r ac t  lo c al  p atter n s   an d   co r r elatio n s   am o n g   in p u t  f ea tu r es,  as  o p p o s ed   to   r ec u r r en t  m o d el s ,   wh ich   ex p licitly   d escr ib e  tem p o r al  r elatio n s h ip s .   C NNs  a r e  m o d if ied   f o r   1 D   s eq u en tial  d ata  in   th e  c o n tex t  o f   tim e  s er ies  f o r ec asti n g ,   lik e   GHI .   Usu ally ,   th e   m o d el   h as  m u ltip le  im p o r tan t   lay er s   [ 1 5 ] .   C o n v o lu tio n al   lay er : A p p lies   m u ltip le  1 D  f ilter s   o v er   s u b s eq u en ce s   o f   th e   in p u t   tim e  s er ie s   to   ex tr ac t   lo ca l f ea tu r es.  T h e  o p er atio n   f o r   th e  k - th   f ilter   is   g iv e n   b y   ( 6 ) .     ℎ , = ( ∑ , − 1 = 0 . + + )   ( 6 )     F  is   th e  f ilter   s ize,   W k , j  is   th e  l ea r n ab le  weig h ts ,   b k   is   th e  b ias,  an d   f   is   th e  ac tiv atio n   f u n ctio n ,   ty p ically   r ec tifie d   lin ea r   u n it   ( R eL U ) .   Po o lin g   lay e r :  Per f o r m s   a   m a x   p o o lin g   o p e r atio n   to   d o wn   s am p le   th e   f ea tu r e   m ap s   p r o d u ce d   b y   th e   co n v o l u tio n al  lay er ,   th er eb y   r ed u cin g   d im en s io n ality   an d   c o m p u tatio n al  c o m p lex ity   wh i le  r etain in g   s alien t  f ea tu r es:     = ma x = 1 ℎ ,   ( 7 )     f u lly   co n n ec ted   lay e r : u s es a   d en s e  lay er   to   f latten   t h e  p o o le d   m ap s   an d   ad d   f ea tu r es to   th e   o u tp u t:     = ( + )   ( 8 )     g  is   th e  f in al  ac tiv atio n   f u n ctio n   u s ed   f o r   p r e d ictio n ,   W   an d   b   ar e  th e  weig h ts   an d   b iases   o f   th e  d en s e  lay er .     2 . 1 . 3 .   H y brid L ST M - CNN  m o del   T o   p r e d ic t  s h o r t - te r m   v a r i ati o n s   i n   GH I ,   a   h y b r i d   L STM – C N N  m o d el   was   d e v e lo p ed .   T h e   m o ti v at io n   b e h i n d   t h is   a r c h i tec t u r e  s t em s   f r o m   t h e  c o m p le m e n t ar y   s tr e n g t h s   o f   t h e  tw o   d ee p   le ar n i n g   co m p o n e n ts :  C NN   lay e r s   ar e  ef f e cti v e  at  e x t r ac ti n g   lo ca l   s p a tial   p a tte r n s   f r o m   te m p o r al   d at a,   w h i le   L S T M   la y e r s   ca p t u r e   l o n g - te r m   tem p o r al   d e p e n d e n ci es  a n d   d y n a m ic   r el ati o n s h i p s   w it h i n   s eq u e n ti al   i n p u ts .   I n   t h e   im p l em e n ted   m o d el,   t h e   i n p u t   lay e r   r ec ei v es  a  s e q u e n ce   o f   p a s t ir r a d ia n c e  v al u es   c o r r esp o n d in g   t o   a  f i x e d   l o o k - b a ck   w i n d o w  ( e. g . ,   4 8   h o u r s ) .   I n   o r d e r   to   e x t r a ct  ty p i ca l  p at ter n s   a n d   s m o o t h   s h o r t - te r m   v a r i ati o n s ,   t h e  C N N  c o m p o n e n t  f i r s t   a p p li es  o n e - d i m e n s i o n al   co n v o l u ti o n al   f il t er s .   T h e   n e two r k   m a y   s im u l t an eo u s l y   l ea r n   s p atia l   a n d   te m p o r al   co r r el ati o n s   th a n k s   t o   t h e  L ST M  l a y e r s ,   wh i ch   a r e  f e d   t h e   e x t r a cte d   f ea t u r e   m ap s   a n d   s im u l ate   t h e   p att er n s '   t em p o r al   ev o l u ti o n   o v er   ti m e .   T h e   o u t p u t   l ay er   r ep r es e n ts   t h e   ex p e ct e d   GH I   v al u e   f o r   th e   f o l lo wi n g   h o u r   a n d   is   m a d e   u p   o f   a   s i n g le   n e u r o n   wi th   a   li n e ar   a cti v ati o n   f u n ct io n .   T h r o u g h   it er ati v e   b a c k p r o p a g at io n ,   t h e   m o d el   le a r n s   t o   r e d u ce   t h e  p r e d ic ti o n   e r r o r   b et wee n   t h e  ac tu al  an d   f o r ec as te d   GHI   d u r in g   tr ai n i n g .   T h e  MS E   was  u t ili ze d   as  th e   lo s s   f u n ct io n ,   a n d   t h e   A d a m   o p ti m i ze r   w as  u t ili ze d   f o r   ef f e ct iv e   g r a d ie n t   d esc e n t  wit h   a d a p tiv e  l ea r n i n g   r a tes.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P erfo r ma n ce   en h a n ce me n t o f  p h o to v o lta ic  s ystems   u s in g   h yb r id   LS TM – C N N   …   ( S a r a   F en n a n e )   699   2 . 2 .     F o re ca s t ing   perf o r m a n ce   m et rics   T h e   m o d e l s   w e r e   d e v e l o p e d   i n   P y t h o n   u s i n g   t h e   T e n s o r F l o w   a n d   K e r a s   f r a m e w o r k s ,   w h i l e   d a t a   v i s u a l i z a t i o n   w a s   c a r r i e d   o u t   w i t h   M a t p l o t l i b .   T o   e n s u r e   a   f a i r   c o m p a r i s o n ,   t h e   t h r e e   f o r e c a s t i n g   a p p r o a c h e s ,   L S T M ,   C N N ,   a n d   t h e   h y b r i d   L S T M – C N N ,   w e r e   t r a i n e d   a n d   e v a l u a t e d   o n   t h e   s a m e   d a t a s e t   u s i n g   i d e n t i c a l   e x p e r i m e n t a l   s e t t i n g s .   M o d e l   p e r f o r m a n c e   w a s   q u a n t i t a t i v e l y   a s s e s s e d   b a s e d   o n   t h r e e   s t a n d a r d   s t a t i s t i c a l   m e t r i c s   [ 2 0 ] :       = [ 1 ∑ ( − ) 2 = 1 ] 1 2   ( 9 )     = 1 ∑ | ŷ − |   ( 1 0 )     2 = 1 − ∑ ( − ) 2 = 1 ∑ ( − ̅ ̅ ̅ ) 2 = 1   ( 1 1 )     2 . 3 .     Da t a s et   des cr iptio n a nd   prepro ce s s i ng   pro ce du re s   T h e  d ataset  u s ed   i n   th is   s tu d y   was so u r ce d   f r o m   t h e  Natio n al   R en ewa b le  E n er g y   L a b o r ato r y   ( NR E L )   th r o u g h   th e   Natio n al  So lar   R ad iatio n   Data b ase  ( NSR DB ) .   I t  p r o v id es  h ig h - r eso lu tio n ,   g r o u n d - b ased   s o lar   ir r ad ian ce   m ea s u r em e n ts   f o r   Dak h la,   Mo r o cc o   a  r eg io n   c h ar ac ter ized   b y   a  s em i - ar id   cli m ate  an d   ex ce p tio n al  s o lar   p o ten tial.  I t  co m p r is es  h o u r ly   m ea s u r em en ts   o f   GHI ,   am b ien t  tem p er atu r e,   an d   o t h er   r elev an t   m eteo r o lo g ical  p ar am eter s   f o r   th e  en tire   y ea r   o f   2 0 2 2 ,   y ield in g   8 , 7 6 0   d ata  p o in ts   th at  ca p tu r e  b o th   s ea s o n al   an d   d aily   v ar iatio n s   in   s o la r   r ad iatio n .   Data   p r ep r o ce s s in g ,   s eq u e n ce   p r ep ar atio n ,   m o d el  tr ain in g ,   a n d   ev alu atio n   f o llo wed   t h e  wo r k f l o w  s u m m ar ized   in   Alg o r ith m   1 ,   with   d ataset  d etails  an d   h y p er p ar am eter   s ettin g s   p r o v id e d   in   T a b le  1 .     Alg o r ith m   1 .   Ps eu d o co d e   f o r   th e  o p tim ized   d ee p   lear n in g   f r a m ewo r k   f o r   GHI   p r ed ictio n   1.   Star t   2.   L o ad   GHI   d ataset  ( 2 0 2 2 )   3.   Pre p r o ce s s   d ata   ˗   C lean   an d   s tan d ar d ize  c o lu m n   n am es   ˗   I n ter p o late  m is s in g   v al u es ( f o r   all  m eteo r o lo g ical  f ea tu r es)   ˗   C o n s tr u ct  Date tim e  co lu m n   ˗   No r m alize   all  in p u t  f ea t u r es ( m in – m ax   s ca lin g )   4.   Pre p ar e  s eq u en ce s   ˗   C r ea te  in p u t seq u en ce s   X  an d   tar g et  y   b ased   o n   s eq u e n ce _ le n g th   =  3 0   5.   Sp lit  d ataset   ˗   T r ain in g   ( 6 4 %),   Valid atio n   ( 1 6 %),   T esti n g   ( 2 0 %)   6.   Def in e  b ase  m o d els   ˗   L STM   →  Den s e   ˗   C NN  →  Ma x Po o lin g   →  Flatt en   →  Den s e  →  Den s e   ˗   Hy b r id   C NN – L STM   →  Den s e   7.   Op tim ize  h y p er p ar am eter s   ˗   Def in e  s ea r ch   s p ac e  ( L STM   u n its ,   C NN  f ilter s ,   k er n el  s iz e,   ac tiv atio n ,   b atch   s ize,   lear n in g   r ate)   ˗   Ap p ly   r an d o m   s ea r c h   to   m in i m ize  v alid atio n   MSE   8.   T r ain   an d   Select  B est M o d els   ˗   T r ain   o n   tr ain in g   s et   ˗   Valid ate  an d   s elec t c o n f ig u r ati o n   with   lo west v alid atio n   lo s s   9.   Fin al  T r ain in g   ˗   T r ain   o p tim ized   m o d els o n   co m b in ed   tr ain i n g   +  v alid atio n   d ata  ( 1 0 0   e p o ch s )   10.   Pre d ictio n   an d   E v alu atio n   ˗   Pre d ict  GHI   o n   test   s et   ˗   C o m p u te  R MSE ,   MA E ,   R ²   11.   R esu lts   a n aly s i s   ˗   Sto r e  p r ed ictio n s   an d   m etr ics   ˗   B u ild   r esu lts   tab le  ( Date tim e,   Actu al  GHI ,   Pre d icted   GHI )   ˗   Plo t r eg r ess io n   an d   tim e - s er ie s   g r ap h s   12.   E x p o r t O u t p u ts   ˗   E x p o r t  r esu lts   to   C SV a n d   E x ce l   13.   E n d     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   696 - 7 08   700   T ab le  1 .   Su m m a r y   o f   d ataset  c h ar ac ter is tics   an d   d ee p   lear n in g   h y p e r p ar a m eter s   f o r   GHI   p r ed ictio n   P a r a me t e r / s e t t i n g   V a l u e / r a n g e   N o t e s   S e q u e n c e   l e n g t h   30   Ti me   st e p s   p e r   i n p u t   s e q u e n c e   Tr a i n / v a l i d a t i o n / t e st   sp l i t   6 4 %  /   1 6 %  /   2 0 %   C h r o n o l o g i c a l   s p l i t   H y p e r p a r a me t e r   t u n i n g   s t r a t e g y   R a n d o m  s e a r c h   ( K e r a s T u n e r )   U sed   f o r   a l l   mo d e l s   LSTM   u n i t s   3 2 ,   6 4 ,   1 2 8 ,   2 5 6     1 2 8   s e l e c t e d   v i a   r a n d o m   sea r c h   a s  t h e   b e s t   c o n f i g u r a t i o n   C N N   f i l t e r s   3 2 ,   6 4 ,   1 2 8     O p t i mal   f i l t e r   si z e   f o u n d   v i a   r a n d o m   s e a r c h :   6 4   C N N   k e r n e l   s i z e   3 ,   5     O p t i mal   k e r n e l   si z e   d e t e r m i n e d   b y   t u n i n g :   3   A c t i v a t i o n   f u n c t i o n s   R e LU ,   t a n h     R e LU   s e l e c t e d   f o r   b e st   p e r f o r mi n g   m o d e l s   B a t c h   si z e   1 6 ,   3 2 ,   6 4   3 2   se l e c t e d   v i a   r a n d o m se a r c h   Le a r n i n g   r a t e   1e - 4 ,   1 e - 3 ,   1 e - 2   O p t i mal   l e a r n i n g   r a t e :   1 e - 3   Ep o c h s (f i n a l   t r a i n i n g )   1 0 0   Tr a i n i n g   o n   t h e   c o mb i n e d   t r a i n   +   v a l i d a t i o n   se t   O p t i mi z e r   A d a m   U sed   f o r   a l l   t u n e d   m o d e l s   H y b r i d   mo d e l   a r c h i t e c t u r e   C o n v 1 D ( 6 4   f i l t e r s)   →   LST M ( 1 2 8   u n i t s)   →  D e n se   B e st   p e r f o r m i n g   h y b r i d   c o n f i g u r a t i o n   F e a t u r e s  n o r ma l i z e d   A l l   i n p u t s   M i n – M a x   sc a l i n g   Lo ss f u n c t i o n   d u r i n g   t u n i n g   M S E   U sed   t o   mi n i mi z e   v a l i d a t i o n   l o ss       2 . 4 .     M a t hema t ica l  m o delin g   o f   t he  P V  pa nel   T h e  p h o to v o ltaic  ( PV)   s y s tem   in   t h is   s tu d y   is   d esig n ed   to   s im u late  th e   elec tr ical  b e h av io r   o f   a   s o lar   ar r ay   u n d er   v ar y in g   ir r a d ian ce .   T h e  PV a r r ay   is   b ased   o n   th e   Ky o ce r a  So lar   KC 2 0 0 GT   m o d u le,   ar r a n g ed   with   1 0   s er ies - co n n e cted   m o d u les  ( N s   =  1 0 )   an d   2   p ar allel  s tr in g s   ( N p   =  2 ) ,   p r o v id i n g   s u itab le  v o ltag e  an d   cu r r en t   f o r   DC – DC   co n v er s io n   an d   lo ad   o p er atio n .   I ts   m at h em atica l  m o d el  is   d er iv ed   f r o m   th e  s in g le - d io d e   eq u iv ale n t   cir cu it,  co m p r is in g   a   cu r r e n t  s o u r ce ,   d io d e ,   s er ies  r esis tan ce   ( R s ) ,   an d   s h u n t   r esis tan ce   ( R sh ) .   T h e   PV  m o d u le  o u tp u t c u r r en t  ( I PV )   is   g iv en   b y   ( 1 2 )   [ 2 1 ] .      = ℎ − 0 [ e xp ( (  ⁄ +  ⁄ ) ) − 1 ] −  ⁄ +  ⁄ ℎ   ( 1 2 )     W h er e  A  i s   th e  d io d e  id ea lity   f ac to r ,   T   is   th e  ce ll   tem p er atu r e  in   Kelv in ,   q   is   th e  elec tr o n   ch ar g e,   I 0   is   th e  d io d e  r ev er s e  s atu r atio n   c u r r e n t,  k   is   th e  B o ltzm an n   co n s tan t,  a n d   I ph   is   th e  p h o t o cu r r e n t  th at  is   in f lu en ce d   b y   tem p er atu r e  a n d   s o lar   ir r ad iatio n   T h e  Simu lin k   PV  ar r ay   is   f ed   with   p r ed icted   ir r a d ian ce   a n d   a  co n s tan t  tem p er atu r e  o f   2 5   ° C .   T h e  PV  v o ltag e  ( V_ PV)   an d   c u r r en t   ( I _ PV)   ar e  co n tin u o u s ly   m ea s u r ed   an d   p r o v i d ed   to   th e   MPPT  co n tr o ller   to   e n s u r e   m ax im u m   p o wer   ex tr ac tio n   u n d er   v ar y in g   co n d itio n s .   A  D C – DC   b o o s t  co n v er ter   r aises   t h e  PV  v o ltag e  to   th e  d esire d   lo ad   lev el.   I t  c o n s is ts   o f   an   in d u cto r ,   a  MO SF E T   s witch ,   a   d io d e ,   a n d   a n   o u tp u t   ca p ac ito r ,   an d   o p er ates   in   co n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e  to   e n s u r e  a  s tab le  o u tp u t  v o ltag e  with   lo w  r ip p le.   T h e  i n p u t – o u tp u t   v o ltag e   r elatio n s h ip   is   g iv en   b y   ( 1 3 )   [ 2 2 ] .      =  1 −   ( 1 3 )     W h er e  D  d en o tes th e  d u ty   c y c le  co n tr o lled   b y   th e  P& O - b ased   MPPT  alg o r ith m   to   m ain tain   th e  PV a r r a y   at  its   m ax im u m   p o wer   p o in t.  T h e  s y s tem   d y n am ics ar e  g iv en   b y   ( 1 4 )   an d   ( 1 5 ) .      =  − ( 1 − )    ( 1 4 )      = ( 1 − ) −   ( 1 5 )     W h er e  R   d en o tes  th e  lo a d   r esi s tan ce ,   th is   co n v er ter   en ab les ef f ec tiv e  p o we r   d eliv er y   f r o m   th e  PV  ar r ay   t o   th e   lo ad   wh ile  ad ap tin g   to   ch an g es  in   ir r a d ian ce   an d   tem p er atu r e.   T h e   PW M - d r iv en   d u ty   cy cle  co n tr o ls   th e   MO SF E T ,   an d   th e  r esu ltin g   b o o s ted   v o ltag e  (   )   is   m o n ito r ed   to   ass ess   co n v er ter   p er f o r m an ce   an d   s tab ilit y .     2 . 5 .     P &O   M P P T   a lg o rit h m   T h e  MPPT   t ec h n iq u e  is   an   ess en t ial   c o m p o n e n t   i n   p h o t o v o lt aic   ( P V)   e n er g y   s y s t em s   t o   e n s u r e  th at   t h e   PV  g en er at o r   o p e r ates  at  i ts   o p t im a l  p o w er   p o i n t  u n d e r   v a r y in g   e n v i r o n m e n t al  c o n d iti o n s .   A m o n g   t h e   n u m er o u s   MPPT  alg o r ith m s   p r o p o s ed   i n   th e  liter atu r e,   t h e  P& O  tech n iq u e  is   am o n g   th e   m o s t  co m m o n ly   u s ed   tech n iq u es,   ap p r ec iated   f o r   its   s tr aig h tf o r war d   d esig n ,   s im p le  im p lem e n tatio n ,   an d   r eliab le   o v er all   p e r f o r m a n ce   [ 2 3 ] .   T h e   P& O  alg o r ith m ' s   b asic   id ea   is   t o   o b s er v e  h o w  th e  o u tp u t  p o w er   ch an g es  in   r esp o n s e  to   m in o r   p er tu r b atio n s   th at   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P erfo r ma n ce   en h a n ce me n t o f  p h o to v o lta ic  s ystems   u s in g   h yb r id   LS TM – C N N   …   ( S a r a   F en n a n e )   701   ar e  p er i o d ically   in tr o d u ce d   to   th e  PV  s y s tem ' s   o p er atio n al  v o ltag e  o r   cu r r en t.   T h e  o p er atin g   p o i n t  is   s h if ted   i n   th e  s am e  way   in   th e  s u b s eq u e n t  iter atio n   wh en   a  p er t u r b ati o n   ca u s es  th e  p o wer   to   in c r ea s e.     I n   co n tr ast,  th e  d ir ec tio n   o f   t h e  d is tu r b an ce   r e v er s es  if   th e  p o wer   d r o p s .   Un til  th e  s y s tem   r ea ch es  th e  MP P,  wh en   th e  r ate  o f   ch an g e  o f   p o wer   with   r esp ec t  to   v o ltag e  ( d P/d V)   ap p r o ac h es   ze r o ,   th is   iter ativ e  p r o ce s s   k e ep s   g o in g .   Ma th em atica lly ,   th e  in s tan tan eo u s   PV p o wer   is   g iv en   b y   ( 1 6 ) :     P(k ) =V ( k ) ×I ( k )   ( 1 6 )     a n d   th e  c h an g e  i n   p o wer   b etw ee n   two   co n s ec u tiv e  s am p les is   ex p r ess ed   as   ( 1 7 ) .     Δ P=P( k ) −P( k −1 )   ( 1 7 )     Similar ly ,   th e  ch an g e   in   v o ltag e  is   ( 1 8 ) .     Δ V= V( k ) −V ( k −1 )   ( 1 8 )     T h e  o p e r atin g   p r in cip le  ca n   b e   o u tlin ed   as f o llo ws:   −   If  Δ >0   an d   Δ V> 0 ,   th e  PV a r r ay   v o ltag e  is   in cr ea s ed .   −   I f   Δ P>0   an d   Δ V< 0 ,   th e  PV a r r ay   v o ltag e  is   d ec r ea s ed .   −   I f   Δ P<0   an d   Δ V> 0 ,   th e  PV a r r ay   v o ltag e  is   d ec r ea s ed .   −   I f   Δ P<0   an d   Δ V< 0 ,   th e  PV a r r ay   v o ltag e  is   in cr ea s ed .   T h is   p r o ce s s   k ee p s   th e  PV  s y s tem   o p er atin g   n ea r   th e  MPP  d esp ite  v ar iatio n s   in   tem p er at u r e  an d   ir r ad ian ce .   Ho wev er ,   th e   P& O  m eth o d   ca n   in d u ce   s m all  s tead y - s tate  o s cillatio n s   ar o u n d   th e   MPP,  wh ich   ca n   b e  r e d u ce d   b y   ad a p tiv ely   ad ju s tin g   t h e  p e r tu r b atio n   s tep   s ize.   As  illu s tr ated   in   Fig u r e  1   [ 2 4 ] .   T h e   alg o r ith m   m ea s u r es  th e  in s tan tan eo u s   PV  v o ltag e  a n d   cu r r en t,   co m p u tes  th e  o u tp u t  p o wer ,   an d   ev alu ates  its   v ar iatio n   f r o m   t h e  p r e v io u s   s am p le.   B ased   o n   th e  s ig n s   o f   Δ P  an d   Δ V,   th e  r ef er en ce   v o ltag e  is   in cr ea s ed   o r   d ec r ea s ed   t o   m o v e  to war d   th e  MPP,  an d   th e  p r o ce d u r e  is   r ep ea ted   f o r   co n tin u o u s   r ea l - tim e  tr ac k in g   [ 2 5 ] .           Fig u r e  1 .   Flo wch ar t  o f   th e   P& O  MPPT  alg o r ith m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   696 - 7 08   702   2 . 6 .     I nte g ra t io n o f   G H I   F o r ec a s t ing   wit h M P P T   co ntr o l   T h e  p r o p o s ed   f r am ewo r k   ( Fi g u r e  2 )   in teg r ates  s h o r t - ter m   GHI   f o r ec asti n g   d ir ec tly   in to   th e  MPPT   co n tr o l  l o o p   to   im p r o v e  PV  s y s tem   r esp o n s iv en ess   u n d er   r ap id ly   v a r y in g   ir r a d ian ce .   A  h y b r id   L STM – C NN  m o d el  g e n er ates  o n e - s tep - a h ea d   GHI   p r e d ictio n s ,   Ĝ( t+1 ) ,   f r o m   r ec en t  m eteo r o lo g ical  d ata.   T h ese  f o r ec asts   ar e  tr an s lated   in to   a  r ef er e n ce   P V  p o wer   an d   th e  co r r esp o n d in g   o p tim al  o p er atin g   v o ltag e,    ̂ ( + 1 ) ,   u s in g   tem p er atu r e - d ep en d en t  PV  ch ar ac ter is tics .   Un lik e  th e  co n v en tio n al  P& O  alg o r ith m ,   w h ich   r elies  s o lely   o n   in s tan tan eo u s   p o wer   p er tu r b atio n s   an d   is   p r o n e  to   o s cillatio n s   an d   d elay ed   c o n v e r g en ce ,   th e  p r o p o s ed   s ch em e   em p lo y s    ̂ ( + 1 )   as  a  f ee d f o r war d   r e f er en ce   to   p r e - ad ju s t  th e   DC – DC   co n v er ter   d u ty   cy cle.   T h e   P& O  alg o r ith m   th en   ac ts   o n ly   as  a  lo ca l  r ef in em en t  m ec h an is m   ar o u n d   th is   p r ed icted   o p er atin g   p o in t.  T h is   p r ed ictiv e   f ee d f o r war d – f ee d b ac k   s tr u ct u r e  en ab les  p r o ac tiv e  a d ap tatio n   to   ir r ad ian ce   c h an g es,  r e d u c in g   tr an s ien t  p o wer   lo s s es,  l im itin g   s tead y - s tate  o s cillatio n s ,   an d   ac ce ler atin g   co n v er g en ce   to   th e  tr u e  MPP.  Ov er all,   em b ed d in g   d ata - d r iv e n   ir r a d ian ce   f o r ec asti n g   tr an s f o r m s   MPPT  f r o m   a  r ea ctiv e  s tr ateg y   in to   a  p r e d ictiv e  c o n tr o l - en h an ce d   ap p r o ac h ,   y ield in g   im p r o v ed   p o wer   s tab ilit y   an d   en er g y   ca p t u r e  u n d er   h ig h ly   v a r iab le  atm o s p h er ic  co n d itio n s .           Fig u r e  2 .   Flo wch ar t  o f   th e   in te g r atio n   o f   h y b r id   L STM – C NN  GHI   f o r ec asti n g   with   th e  c o n v en tio n al  P& O  MPPT  co n tr o ller       3.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   3 . 1 .     P re dict iv e   perf o rma nce  o f   G H I   f o re ca s t ing   mo dels   Fig u r e  3   illu s tr ates  h o w  th e  th r ee   d ee p - lea r n in g   m o d els  r e p r o d u ce   th e  r ea l  GHI   p r o f ile  o v er   tim e.   W h ile  all  m o d els  ca p tu r e  th e  g en er al  d aily   r h y th m   o f   s o lar   ir r ad ian ce ,   th e  h y b r i d   L STM – C NN  alig n s   m u ch   m o r e  tig h tly   with   t h e  m ea s u r e d   cu r v e .   I ts   p r ed ictio n s   r em ain   clo s er   to   th e  ac tu al  f lu ct u atio n s ,   esp ec ially   d u r in g   r ap id   ch a n g es  ty p ically   ca u s ed   b y   p ass in g   clo u d s   o r   atm o s p h e r ic  d is tu r b an ce s .   T h is   b eh av io r   r ef lects  th e  b en e f it  o f   co m b in in g   tem p o r al  lear n i n g   f r o m   t h e  L STM   with   th e   C NN’ s   ab ilit y   to   ex tr ac t  m ea n i n g f u l   p atter n s   f r o m   th e  in p u t  f ea tu r es.  Ov er all,   th e   f ig u r e   h ig h lig h ts   th e  h y b r id   m o d el’ s   s tr o n g e r   s tab ilit y   an d   ac cu r ac y ,   c o n f ir m in g   its   ad v an tag e  f o r   s h o r t - ter m   ir r ad ian ce   f o r ec asti n g   an d   its   p o ten tial  f o r   m o r e  r eliab le  s o lar - b ased   en er g y   m an ag em en t.   Fig u r es  4 ( a ) - 4( c )   d em o n s tr ate  th at  all  th r ee   m o d els  ac h iev e  a  s tr o n g   co r r elatio n   b etwe en   p r e d icted   an d   m ea s u r ed   GHI   v al u es;  h o wev er ,   th eir   p r ed ictiv e  r eliab ilit y   d if f er s   m ar k e d ly .   T h e  L STM   m o d el  ca p tu r es  th e   o v er all  tem p o r al  e v o lu tio n   o f   i r r ad ian ce   b u t  ex h ib its   in cr ea s ed   d is p er s io n   at  lo w  an d   m o d er a te  ir r ad ian ce   lev els,  in d icatin g   r ed u ce d   r o b u s tn ess   d u r in g   r ap id l y   v ar y in g   c o n d iti o n s .   T h e  C NN  m o d el  s h o ws  i m p r o v e d   alig n m e n t  in   th e  m i d - ir r a d ian ce   r an g e,   r ef lectin g   its   ef f ec tiv en ess   in   lear n in g   lo ca lized   f ea tu r e  p atter n s ,   y et  its   p er f o r m an ce   d eter io r ates  at  ir r ad ian ce   ex tr e m es  d u e  t o   lim it ed   tem p o r al  m o d elin g   ca p ab il ity .   I n   c o n tr ast,  th e   h y b r id   L STM – C NN  m o d el  d eliv er s   th e  m o s t  co n s is ten t  an d   u n b iased   p r ed ictio n s ,   with   d ata  p o in ts   clo s ely   co n ce n tr ated   alo n g   th e  i d ea l  r eg r ess io n   lin e  ac r o s s   th e  f u ll  ir r ad ian ce   r an g e.   T h is   b eh a v io r   co n f ir m s   th at  co m b in in g   co n v o lu tio n al  f ea tu r e  ex tr ac tio n   with   r ec u r r e n t  tem p o r al  lear n in g   ef f ec ti v ely   m itig ates  th e  in d iv id u al  lim itatio n s   o f   s tan d alo n e  L STM   an d   C NN  ar ch ite ctu r es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P erfo r ma n ce   en h a n ce me n t o f  p h o to v o lta ic  s ystems   u s in g   h yb r id   LS TM – C N N   …   ( S a r a   F en n a n e )   703       Fig u r e  3 .   Pre d ictin g   GHI   with   th e  th r ee   ar c h itectu r es           ( a)   ( b )     ( c)     Fig u r e  4 .   R eg r ess io n   an al y s is   o f   ( a)   L STM ,   ( b )   C NN ,   an d   ( c )   h y b r id   L STM - C NN  m o d els f o r   GHI   p r e d ictio n       3 . 2 .     P er f o r m a nce  ev a lua t io n o f   deep  lea rning   a rc hite ct ures f o r  G H I   predict io n   T ab le  2   co n f ir m s   th e  s u p e r io r   p er f o r m an ce   o f   th e  h y b r id   L STM – C NN  m o d el,   wh ich   ac h iev es  th e  lo west  p r ed ictio n   er r o r s   an d   h ig h est  g o o d n ess   o f   f it   am o n g   t h e  ev alu ate d   a p p r o ac h es.  T h e  h y b r id   ar c h itectu r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   696 - 7 08   704   r ec o r d s   th e  m in im u m   R MSE   ( 2 9 . 9 9   W /m ²)   an d   MA E   ( 2 3 . 9 3   W /m ²) ,   to g eth er   with   th e  h ig h est  co ef f icien t  o f   d eter m in atio n   ( R ²  =   0 . 9 9 3 ) ,   in d icatin g   en h an ce d   ac cu r ac y   an d   r ed u ce d   p r e d ictio n   b ias.  T h e   s tan d alo n e   L STM   m o d el  s h o ws  co m p etitiv e  b u t  less   co n s is ten t  p er f o r m a n ce ,   with   in cr ea s ed   er r o r   lev els  d u r in g   p er io d s   o f   r ap id   ir r ad ian ce   v ar iatio n ,   r ef lectin g   its   lim ited   ab ilit y   to   ca p tu r e  lo ca lized   f ea tu r e  d y n am ics.  I n   co n tr ast,  th e  C NN  m o d el  ex h ib its   th e  lar g est  er r o r s   an d   lo west  R ²  v alu e,   h ig h lig h tin g   th e  in ad eq u ac y   o f   p u r ely   co n v o lu tio n al   s tr u ctu r es f o r   m o d elin g   th e  te m p o r al  v a r iab ilit y   o f   s o lar   ir r a d ian ce .   A  co m p ar is o n   with   r ec e n t  s tu d ies  f u r th er   em p h asizes  th e  ef f ec tiv en ess   o f   t h e  p r o p o s ed   ap p r o ac h .   Pre v io u s   h y b r id   d ee p   lear n in g   m o d els  f o r   s h o r t - ter m   s o lar   ir r ad ian ce   f o r ec asti n g   ty p ically   r ep o r t  R MSE   v alu es   ab o v e  3 5   W /m ²  an d   R ²  v alu es  b elo w  0 . 9 9   [ 2 6 ] .   Dee p   lear n in g   m o d els  ev alu ated   o v e r   lo n g er   f o r ec asti n g   h o r izo n s   g en e r ally   ex h ib it  h ig h er   er r o r   lev els wh e n   a p p lied   t o   h ig h - r eso lu tio n   tem p o r al   d at a   [ 2 7 ] .   Mo r e   r ec en t   h y b r id   an d   tr a n s f er - lear n in g - b ased   f o r ec asti n g   f r a m ewo r k s   r ep o r t  R MSE   v alu es  in   th e  r a n g e  o f   3 0 – 4 0   W /m ²  an d   MA E   v al u es  ex ce ed in g   2 5   W /m ²,   p ar ticu lar ly   u n d er   r a p id ly   ch a n g in g   atm o s p h e r ic  c o n d itio n s   [ 2 8 ] ,   [ 2 9 ] .  I n   co n tr ast,  th e  p r o p o s ed   h y b r id   L STM – C NN  m o d el  c o n s is ten tly   ac h iev es  lo wer   er r o r   m etr ics  an d   s tr o n g er   g o o d n ess   o f   f it,  co n f ir m in g   its   r o b u s tn ess   an d   s u p er io r   p r ed i ctiv e  ca p ab ilit y   f o r   s h o r t - ter m   GHI   f o r ec asti n g .       T ab le  2 .   C o m p a r ativ e  p er f o r m an ce   m etr ics o f   th e  t h r ee   p r ed i ctiv e  m o d els f o r   GHI   esti m atio n   Ev a l u a t i o n   me t r i c s   D e e p   l e a r n i n g   mo d e l s   LSTM   C N N   LSTM - C N N   R M S E   4 0 . 0 0 9 2 4 3   6 0 . 1 1 9 8 5 0   2 9 . 9 9 8 5 1 2   M A E   3 1 . 9 3 5 6 6 7   4 7 . 9 5 4 8 2 5   2 3 . 9 3 2 2 6 7   R²   0 . 9 8 7 5 0 9   0 . 9 7 1 7 9 7   0 . 9 9 2 9 7 8       3 . 3 .     Ass ess m ent   o f   M P P T   perf o rma nce  us ing   t he  P &O   co ntr o ller   T h e  p r o p o s ed   m o d el  f o r   th is   wo r k ,   d esig n e d   an d   test ed   in   MA T L AB /S im u lin k ,   is   s h o wn   in   Fig u r e  5 .   Usi n g   th e  p r ed icted   GHI   f r o m   th e  h y b r id   L STM – C NN  m o d el  as  in p u t,  Fig u r e  6   illu s tr ates  th e  d y n am ic  r esp o n s e  o f   th e  p h o t o v o ltaic  ( PV)   s y s tem   u n d er   th e  P& O  M PP T   co n tr o l  s tr ateg y .   T h is   ap p r o ac h   allo ws  th e  PV   s y s tem   to   ad j u s t  p r o ac tiv ely   t o   ir r ad ian ce   c o n d itio n s   f o r ec a s ted   b y   th e  d ee p   lear n in g   m o d el.   T h r o u g h o u t  th e  s im u latio n ,   s o lar   ir r ad ian ce   f o llo ws  a  s m o o th ,   b ell - s h a p ed   d iu r n al  p r o f ile,   r esu ltin g   in   p r o p o r tio n al   v ar iatio n s   in   PV  v o ltag e  ( <V _ PV>) ,   cu r r en t  ( <I _ PV>) ,   an d   p o wer   o u t p u t.  T h e  m ea s u r em e n ts   co n f ir m   th at  th e  s y s tem   co n s is ten tly   tr ac k s   th e  MPP ,   wh ile  th e   d u ty   cy cle   ( <d u ty >)   s tab ilizes  af ter   a   b r ie f   in itial  tr an s ien t,   d em o n s tr atin g   th at  th e  P& O  al g o r ith m   ef f ec tiv ely   co n v er g es  d esp ite  th e  n o n - lin ea r   b eh av i o r   o f   th e  PV   s y s tem .           Fig u r e  5 .   Simu lin k   m o d el  o f   P V  s y s tem   with   P& O  MPPT  an d   b o o s t c o n v er ter       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       P erfo r ma n ce   en h a n ce me n t o f  p h o to v o lta ic  s ystems   u s in g   h yb r id   LS TM – C N N   …   ( S a r a   F en n a n e )   705   T h ese  o b s er v atio n s   h i g h lig h t  t h e  s tr o n g   s y n e r g y   b etwe en   ac cu r ate  d ata - d r iv en   ir r ad ian ce   f o r ec asti n g   an d   MPPT  co n tr o l.  B y   in teg r atin g   h y b r id   L STM – C NN  p r e d ictio n s   with   th e  P& O  alg o r it h m ,   th e  PV  s y s tem   ca n   an ticip ate  ch an g es  in   s o lar   co n d itio n s   an d   ad ju s t  its   o p er atin g   p o in t  i n   r ea l  tim e.   T h is   in teg r atio n   im p r o v es  p o wer   s tab ilit y ,   en s u r es  ef f icien t  en er g y   ex tr ac tio n ,   an d   en h an ce s   th e  s y s tem ’ s   r esil ien ce   t o   r ap id   ir r ad ian ce   f lu ctu atio n s .   Mo r eo v er ,   r eliab l e  s h o r t - ter m   f o r ec asti n g   f ac ilit ates  b etter   en er g y   s ch ed u lin g   an d   s m o o th   p o we r   in jectio n   in to   th e  g r id ,   co n tr ib u tin g   to   o v er all  g r id   s tab ilit y .   T h e  in s tan tan eo u s   PV  p o wer   o u tp u t  d u r in g   t h e  MPPT  s i m u latio n   d r iv e n   b y   h y b r id   L STM – C NN   p r ed ictio n s   f o llo w   th e  ex p ec te d   b ell - s h ap ed   d aily   tr ajec t o r y ,   r ea ch in g   a   p ea k   o f   a p p r o x im at ely   8 5 0   W   ar o u n d   m id d ay .   Min o r   o s cillatio n s   ar e  o b s er v e d ,   r e f lectin g   t h e  n o r m al  p er tu r b atio n   b eh a v io r   o f   th e  P& O  m eth o d .   T h ese  s m all  d ev iatio n s   in d icate   a  s u itab le  tr ad e - o f f   b etw ee n   f ast  tr ac k in g   an d   s tab le  r eg u latio n ,   en s u r in g   co n s is ten t sy s tem   p er f o r m an c e  th r o u g h o u t th e  d a y .   B y   co m b in in g   ac cu r ate  s h o r t - t er m   f o r ec asti n g   with   r ea l - tim e   MPPT  co n tr o l,  th is   f r a m ewo r k   n o t  o n ly   m ax im izes  PV  ef f icien cy   b u t  also   s tr en g th en s   g r id   in teg r ati o n .   Pre d ictab le  PV  g en er atio n   allo ws  o p er ato r s   to   s ch ed u le  en er g y   m o r e  ef f ec ti v ely ,   r ed u ce s   v ar iab ilit y   in   p o wer   in jectio n ,   an d   en h a n ce s   th e  r esil ien ce   o f   PV   s y s tem s   u n d er   d y n am ic  wea t h er   c o n d itio n s .   T h e   r esu lt s   u n d er s co r e   th e   p o ten tial  o f   co u p lin g   in tellig en t   f o r ec asti n g   with   class ical   co n tr o l  s tr ateg ies  to   o p tim ize  PV   p er f o r m an ce ,   s u p p o r t  r eliab le  en er g y   s u p p ly ,   an d   f ac ilit ate  s m ar ter   m an ag e m en t   o f   d is tr ib u ted   s o lar   r eso u r ce s   in   s em i - ar id   r eg io n s   lik e   Mo r o cc o   an d   in   b r o a d er   s m ar t - g r id   ap p licatio n s .           Fig u r e  6 .   Simu latio n   r esu lts   o f   P& O  MPPT  alg o r ith m       4.   CO NCLU SI O N   T h is   s tu d y   d ev elo p ed   an d   v alid ated   a  h y b r id   L STM – C NN  f o r ec asti n g   m o d el  in teg r ate d   with   a  P& O  MPPT  co n tr o ller   f o r   p h o to v o ltaic  s y s tem s .   T h e  m o d el  ac h iev ed   th e  h i g h est  p r e d ictiv e  a cc u r ac y   am o n g   th e  test ed   ar ch itectu r es,  with   an   R MSE   o f   2 9 . 9 9   W /m ²,   an   MA E   o f   2 3 . 9 3   W /m ²,   an d   a n   R ²  o f   0 . 9 9 3 ,   r ep r esen tin g   a  s ig n if ican t  im p r o v em en t  o v e r   s tan d alo n e  L STM   an d   C NN  n etwo r k s .   W h en   ap p lied   to   th e   MPPT  s im u latio n ,   f o r ec asted   GHI   en ab led   f aster   d u ty - cy cle  c o n v e r g en ce   a n d   r ed u ce d   o s cillatio n s   ar o u n d   th e   MM P,  r esu ltin g   in   sm o o th er   v o ltag e,   cu r r en t,  a n d   p o wer   p r o f iles   an d   m o r e  s tab l e  PV e n er g y   o u tp u t.   T h ese  r esu lts   h av e  d ir ec t  im p licatio n s   f o r   r en ewa b le  e n er g y   i n teg r atio n   s tr ateg ies.  I n   Mo r o c co ,   wh er e   s o lar   r eso u r ce s   ar e  ab u n d an t   b u t  s u b ject  to   h ig h   ir r ad ia n ce   v ar iab ilit y ,   ac cu r ate  s h o r t - ter m   f o r ec asti n g   co m b in ed   with   a d ap tiv e   MPPT  en h an ce s   g r id   s tab ili ty ,   i m p r o v es   en er g y   s ch e d u lin g ,   an d   m a x im izes  PV  co n tr ib u tio n   to   th e  n atio n al  en er g y   m ix .   Glo b ally ,   th e  a p p r o a ch   d em o n s tr ates  a  s ca lab le  p ath way   f o r   i n teg r atin g   d is tr ib u ted   PV  s y s tem s   in to   s m ar t  g r id s ,   s u p p o r tin g   ef f icien t  en er g y   m an a g em en t,  an d   m itig atin g   in ter m itten c y   ch allen g es in   v ar ia b le  clim ates.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.