Topology and Control of Five-level Transformerless Grid-connected Inverter with High Reliability

Xiaoqiang GUO; Zhuoqun WU; Ran LUO; Zhigang LU; Changchun HUA

doi:10.7500/AEPS20210805008

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Topology and Control of Five-level Transformerless Grid-connected Inverter with High Reliability

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Topology and Control of Five-level Transformerless Grid-connected Inverter with High Reliability
- Automation of Electric Power Systems Vol. 46, Issue 5, Pages: 151-158(2022)
- 作者机构：
  
  燕山大学电气工程学院，河北省秦皇岛市 066004
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52077190);Hebei Provincial “333 Talent Program”(A202005001)
- DOI：10.7500/AEPS20210805008
  CLC：
- Received：05 August 2021，
  
  Revised：2021-09-16，
  
  Published Online：30 December 2021，
  
  Published：10 March 2022
- 稿件说明：
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郭小强,吴卓群,骆然等.高可靠性非隔离型五电平并网逆变器拓扑与控制[J].电力系统自动化,2022,46(5):151-158.

GUO Xiaoqiang,WU Zhuoqun,LUO Ran,et al.Topology and Control of Five-level Transformerless Grid-connected Inverter with High Reliability[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(5):151-158.
郭小强,吴卓群,骆然等.高可靠性非隔离型五电平并网逆变器拓扑与控制[J].电力系统自动化,2022,46(5):151-158. DOI： 10.7500/AEPS20210805008.

GUO Xiaoqiang,WU Zhuoqun,LUO Ran,et al.Topology and Control of Five-level Transformerless Grid-connected Inverter with High Reliability[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(5):151-158. DOI： 10.7500/AEPS20210805008.

摘要

针对传统非隔离型并网逆变器存在桥臂直通风险及接地共模漏电流的问题，提出一种新型高可靠性非隔离型并网逆变器拓扑及其控制方法，仅用6个开关即可实现五电平输出，同时具有高可靠性和漏电流抑制能力。首先，分析了该逆变器的拓扑结构特性及工作模态，在此基础上提出一维空间矢量调制，实现了系统六开关的协调控制，设计了电容电压平衡控制方案，建立了各工作模态高频等效模型并进行分析。最后，搭建了硬件实验平台，在数字化平台上对所提出的方案进行实验验证，实验结果验证了所提新型拓扑、控制方法及均压策略的可行性和有效性。

Abstract

The traditional transformerless grid-connected inverter has the risk of bridge arm shoot-through and the defect of grounding common-mode leakage current. Aiming at these problems

this paper proposes a novel topology and the control method for transformerless grid-connected inverters with high reliability. The proposed inverter is able to output five-level voltage with six switches only

and it has the capability of leakage current suppression with high reliability. First

the topology characteristics and operating modes of the inverter are analyzed. On this basis

the coordinated control of six switches of the inverter is completed by using the one-dimensional space vector modulation. The capacitor voltage balance control scheme is designed

and the high-frequency equivalent model in each operating mode is established for analysis. Finally

a hardware experimental platform is built

and the proposed scheme is experimentally verified on a digital platform. The experimental results verify the feasibility and effectiveness of the proposed topology

control method and voltage balance strategy.

关键词

Keywords

references

MENESES D ， BLAABJERG F ， GARCÍA Ó ， et al . Review and comparison of step-up transformerless topologies for photovoltaic AC-module application ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2013 ， 28 （ 6 ）： 2649 - 2663 .

管月，李磊，张晋川 . 适合高输入电压的高频隔离逆变器［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 11 ）： 163 - 170 .

GUAN Yue ， LI Lei ， ZHANG Jinchuan . High-frequency isolated inverter for high input voltage ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 11 ）： 163 - 170 .

王建华，顾彬仕，段青，等 . 单相DC/AC逆变器大信号快速建模仿真方法［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 3 ）： 110 - 116 .

WANG Jianhua ， GU Binshi ， DUAN Qing ， et al . Large signal fast modeling and simulation method for single phase DC/AC inverters ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 3 ）： 110 - 116 .

钱强，魏琦，谢少军，等 . 单相并网逆变器多频阻抗模型及其在谐振环流分析中的应用［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 15 ）： 159 - 165 .

QIAN Qiang ， WEI Qi ， XIE Shaojun ， et al . Multi-frequency impedance model of single-phase grid-connected inverter and its application in analysis of resonant circulating current ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 15 ）： 159 - 165 .

邱继浪，何英杰，焦乾明，等 . 非隔离型三电平逆变器漏电流抑制与中点电位平衡控制［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 17 ）： 161 - 170 .

QIU Jilang ， HE Yingjie ， JIAO Qianming ， et al . Leakage current suppression and balance control of neutral point potential for three-level transformerless inverter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 17 ）： 161 - 170 .

YANG B ， LI W H ， GU Y J ， et al . Improved transformerless inverter with common-mode leakage current elimination for a photovoltaic grid-connected power system ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2012 ， 27 （ 2 ）： 752 - 762 .

程启明，马信乔，江畅，等 . 模块化多电平矩阵变换器输入侧的无源控制策略［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 11 ）： 136 - 143 .

CHENG Qiming ， MA Xinqiao ， JIANG Chang ， et al . Passivity-based control strategy for input side of modular multilevel matrix converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 11 ）： 136 - 143 .

HERIBERT S ， CHRISSTOPH S ， JURGEN K . Inverter for transforming a DC voltage into an AC current or an AC voltage ［P］. 2003-05-13 .

CHATTOPADHYAY S K ， CHAKRABORTY C . A new multilevel inverter topology with self-balancing level doubling network ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2014 ， 61 （ 9 ）： 4622 - 4631 .

PATRAO I ， FIGUERES E ， GONZÁLEZ-ESPÍN F ， et al . Transformerless topologies for grid-connected single-phase photovoltaic inverters ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2011 ， 15 （ 7 ）： 3423 - 3431 .

白志红，周玉虎 . 模块化多电平换流器的载波层叠脉宽调制策略分析与改进［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 21 ）： 139 - 144 .

BAI Zhihong ， ZHOU Yuhu . Analysis and improvement on carrier level-shifted pulse width modulation strategy for modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 21 ）： 139 - 144 .

GONZALEZ R ， GUBIA E ， LOPEZ J ， et al . Transformerless single-phase multilevel-based photovoltaic inverter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2008 ， 55 （ 7 ）： 2694 - 2702 .

GRIGOLETTO F B . Five-level transformerless inverter for single-phase solar photovoltaic applications ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 4 ）： 3411 - 3422 .

LEE S S ， LEE K B . Dual-T-type seven-level boost active-neutral-point-clamped inverter ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 7 ）： 6031 - 6035 .

KEREKES T ， TEODORESCU R ， RODRÍGUEZ P ， et al . A new high-efficiency single-phase transformerless PV inverter topology ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2011 ， 58 （ 1 ）： 184 - 191 .

VALDERRAMA G E ， GUZMAN G V ， POOL-MAZÚN E I ， et al . A single-phase asymmetrical T-type five-level transformerless PV inverter ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2018 ， 6 （ 1 ）： 140 - 150 .

BARZEGARKHOO R ， LEE S S ， SIWAKOTI Y P ， et al . Design， control， and analysis of a novel grid-interfaced switched-boost dual T-type five-level inverter with common-ground concept ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 9 ）： 8193 - 8206 .

ZHU X N ， WANG H L ， SUN R J ， et al . Leakage current suppression of single-phase five-level inverter for transformerless photovoltaic system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 11 ）： 10422 - 10435 .

ZHU X N ， WANG H L ， ZHANG W Y ， et al . A single-phase five-level transformer-less PV inverter for leakage current reduction ［J/OL］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ［ 2021-05-03 ］. https：//ieeexplore.ieee.org/document/9422193 https://ieeexplore.ieee.org/document/9422193 .

BARZEGARKHOO R ， SIWAKOTI Y P ， VOSOUGHI N ， et al . Six-switch step-up common-grounded five-level inverter with switched-capacitor cell for transformerless grid-tied PV applications ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 2 ）： 1374 - 1387 .

陈思哲，徐梦然，范元亮，等 . 一种基于开关电容的九电平逆变器［J/OL］. 电工技术学报： 1 - 11 ［ 2021-09-16 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201474 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201474 .

CHEN Sizhe ， XU Mengran ， FAN Yuanliang ， et al . A nine-level inverter based on switched capacitor ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society： 1 - 11 ［ 2021-09-16 ］. https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201474 https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201474 .

LEON J I ， VAZQUEZ S ， SANCHEZ J A ， et al . Conventional space-vector modulation techniques versus the single-phase modulator for multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2010 ， 57 （ 7 ）： 2473 - 2482 .

谢少军 . 非隔离光伏并网逆变器及其控制技术［M］. 北京：电子工业出版社， 2017 .

XIE Shaojun . Transformerless photovoltaic inverters and their control technologies ［M］. Beijing ： Publishing House of Electronics Industry ， 2017 .

NGUYEN M K ， TRAN T T . Quasi cascaded H-bridge five-level boost inverter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2017 ， 64 （ 11 ）： 8525 - 8533 .

WANG K ， ZHENG Z D ， LI Y D ， et al . Neutral-point potential balancing of a five-level active neutral-point-clamped inverter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2013 ， 60 （ 5 ）： 1907 - 1918 .

KUNCHAM S K ， ANNAMALAI K ， SUBRAHMANYAM N . A two-stage T-type hybrid five-level transformerless inverter for PV applications ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 9 ）： 9510 - 9521 .

HO A V ， CHUN T W . Single-phase modified quasi-Z-source cascaded hybrid five-level inverter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 6 ）： 5125 - 5134 .

FLORICAU D ， FLORICAU E ， GATEAU G . New multilevel converters with coupled inductors： properties and control ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2011 ， 58 （ 12 ）： 5344 - 5351 .

LEE S S ， LIM C S ， SIWAKOTI Y P ， et al . Dual-T-type five-level cascaded multilevel inverter with double voltage boosting gain ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 9 ）： 9522 - 9529 .

XIAO H F ， XIE S J ， CHEN Y ， et al . An optimized transformerless photovoltaic grid-connected inverter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2011 ， 58 （ 5 ）： 1887 - 1895 .

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