Leakage current suppression in T-Type inverters for photovoltaic systems

Transformerless grid-connected photovoltaic (PV) systems are widely adopted due to their high efficiency, reduced size, and lower cost. However, the lack of galvanic isolation introduces critical safety and electromagnetic compatibility issues, primarily associated with ground leakage current caused by common-mode voltage (CMV) variations. Excessive leakage current can lead to electromagnetic interference, premature degradation of PV modules, and non-compliance with international grid and safety standards, making its mitigation a key challenge in modern PV inverter design. This thesis presents a comprehensive literature-based investigation of leakage current generation and mitigation in transformerless grid-connected PV systems, with a particular focus on the three-level T-type inverter topology. The physical mechanisms responsible for leakage current are analyzed through common-mode equivalent circuit modeling, highlighting the direct relationship between inverter switching states, CMV transitions, and parasitic capacitances between the PV array and ground. The study systematically reviews and compares both hardware-level and control-level mitigation approaches reported in state-of-the-art literature. At the hardware level, the impact of conventional LCL and Improved LCL (ILCL) output filter structures on common-mode behavior is examined, with emphasis on leakage current attenuation and resonance characteristics. At the control level, advanced modulation strategies—including Medium Vector PWM (MVPWM), Flexible Space Vector Modulation (FSVM), Discontinuous PWM (DPWM), and hybrid modulation methods—are critically analyzed in terms of common-mode voltage behavior, leakage current suppression capability, neutral-point voltage stability, and switching loss implications. Rather than proposing new modulation schemes or performing original simulations, this work focuses on a structured comparative evaluation of existing methods using analytical formulations, reported simulation results, and experimental data available in peer-reviewed publications. The resulting synthesis highlights the inherent trade-offs between safety, efficiency, and control complexity, providing practical design insights and selection guidelines for transformerless T-type PV inverters operating under strict grid-code and safety constraints.

I sistemi fotovoltaici (PV) connessi alla rete e privi di trasformatore sono ampiamente diffusi grazie alla loro elevata efficienza, alla riduzione dei costi e alla maggiore densità di potenza. Tuttavia, l’assenza di isolamento galvanico introduce rilevanti problematiche di sicurezza e di compatibilità elettromagnetica, principalmente legate alla presenza di correnti di dispersione verso terra generate dalle variazioni della tensione di modo comune (Common-Mode Voltage, CMV). Tali correnti possono causare interferenze elettromagnetiche, degrado prematuro dei moduli fotovoltaici e il mancato rispetto delle normative di sicurezza e dei codici di rete internazionali. Questa tesi presenta uno studio sistematico basato sulla letteratura scientifica riguardante l’origine fisica, la modellazione analitica e le tecniche di mitigazione della corrente di dispersione nei sistemi fotovoltaici connessi alla rete e privi di trasformatore, con particolare riferimento all’inverter trifase a tre livelli di tipo T. I meccanismi di generazione della corrente di dispersione sono analizzati mediante modelli equivalenti di modo comune, evidenziando la relazione diretta tra gli stati di commutazione dell’inverter, le variazioni della CMV e le capacità parassite tra il generatore fotovoltaico e la terra. Lo studio include un’analisi comparativa delle principali soluzioni di mitigazione riportate in letteratura, sia a livello hardware sia a livello di controllo. Per quanto riguarda l’hardware, viene esaminato l’effetto delle strutture di filtro in uscita di tipo LCL e Improved LCL (ILCL) sul comportamento di modo comune, con particolare attenzione all’attenuazione della corrente di dispersione e ai fenomeni di risonanza. A livello di controllo, vengono analizzate criticamente diverse strategie di modulazione avanzate, tra cui Medium Vector PWM (MVPWM), Flexible Space Vector Modulation (FSVM), Discontinuous PWM (DPWM) e strategie ibride, valutandone le prestazioni in termini di riduzione della CMV, stabilità della tensione del punto neutro e perdite di commutazione. La tesi non propone nuovi algoritmi di controllo né include simulazioni o validazioni sperimentali originali. L’obiettivo principale è invece fornire una valutazione comparativa strutturata delle tecniche esistenti, basata su formulazioni analitiche e su risultati di simulazione ed esperimenti già pubblicati in lavori scientifici peer-reviewed. L’analisi finale mette in evidenza i compromessi progettuali tra sicurezza, efficienza e complessità di controllo, offrendo indicazioni utili per la selezione delle strategie di filtraggio e modulazione più idonee per inverter fotovoltaici di tipo T operanti in sistemi transformerless.