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        風(fēng)電并網(wǎng)過程中的非合作博弈分析

        2015-07-17 12:35:04王曉天
        關(guān)鍵詞:增量懲罰風(fēng)電

        王曉天

        (河南工程學(xué)院工商管理學(xué)院,河南鄭州451191)

        引言

        大力促進(jìn)風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)與利用已成為世界各國保障能源供應(yīng)安全、應(yīng)對氣候變化、推動能源產(chǎn)業(yè)升級的共同選擇,也是中國能源戰(zhàn)略調(diào)整的重要內(nèi)容。中國已明確提出到2020年非化石能源占能源消費比重達(dá)到15%左右、單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%—45%的發(fā)展目標(biāo)。[1]在社會各界的共同努力下,中國風(fēng)電得到了迅速發(fā)展,2014年總并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到9637萬千瓦,發(fā)電量占全國總發(fā)電量的2.78% 。[2]

        隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大,中國風(fēng)電發(fā)展面臨的瓶頸問題日益突出,已從過去來自技術(shù)水平、產(chǎn)業(yè)能力方面的約束,轉(zhuǎn)變?yōu)閬碜允袌鰴C(jī)制、發(fā)展體制方面的制約,主要體現(xiàn)在并網(wǎng)困難方面。根據(jù)可持續(xù)能源服務(wù)與創(chuàng)新公司情景分析估計,工業(yè)化國家的電網(wǎng)在不進(jìn)一步現(xiàn)代化的情況下可傳輸波動電力為總電量的20%—30%。[3]國內(nèi)專家也普遍認(rèn)為,中國電網(wǎng)傳輸風(fēng)電、光伏發(fā)電等具有波動特性的電力,其電量在總電量中的比例不超過20%時,不會對電網(wǎng)企業(yè)造成明顯的成本增加。[4]在當(dāng)前風(fēng)電等可再生能源發(fā)電量在總電量中的比例僅約占2.78%的情況下,電網(wǎng)企業(yè)以技術(shù)障礙為由限制風(fēng)電并網(wǎng),難以令人信服。電網(wǎng)企業(yè)與風(fēng)電企業(yè)的非合作問題已嚴(yán)重阻礙了中國風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展。

        博弈論注重不同利益主體之間的相互作用和對結(jié)果的影響,并積極預(yù)測和尋求最優(yōu)均衡,而政策的實質(zhì)就是一種博弈規(guī)則,其最終的有效結(jié)果就是各利益主體相互博弈所達(dá)到的均衡結(jié)果。根據(jù)道榭立斯G.拜爾等人在《法律的博弈分析》一書中所體現(xiàn)的研究邏輯與思路,只有深入分析風(fēng)電并網(wǎng)過程中的利益主體,研究在新政策下各利益主體博弈的均衡,只有在此基礎(chǔ)上才會制定有效的政策。[5]本文利用博弈理論的思想和方法[6-7],研究各利益主體之間的博弈關(guān)系及影響因素,為制定有效的風(fēng)電政策和選擇合理的激勵與約束策略,提供理論指導(dǎo)與決策參考。

        一、模型構(gòu)建

        風(fēng)電企業(yè)進(jìn)入電力市場首先面對的是與常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)之間的博弈。我們可以把常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和風(fēng)電企業(yè)看作并網(wǎng)發(fā)電市場中的兩個生產(chǎn)寡頭,在不存在并網(wǎng)障礙的情況下,它們共同面對的市場需求函數(shù)為p(q)=a-b(q1+q2)。其中q1為傳統(tǒng)能源發(fā)電量,q2為風(fēng)力發(fā)電量,a與b為參數(shù)。為了簡化計算,假定b=1。假設(shè)常規(guī)能源單位發(fā)電成本為c1,風(fēng)力單位發(fā)電成本為c2,一般有c2>c1;政府對風(fēng)電的單位補(bǔ)貼額為s,對常規(guī)能源發(fā)電所產(chǎn)生的負(fù)外部性征收一個額外的從價稅,稅率為m。若不考慮電網(wǎng)約束,則:

        常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)收益

        風(fēng)電企業(yè)收益

        分別對式(1)和式(2)求極值,可得常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和風(fēng)電企業(yè)的納什均衡并網(wǎng)產(chǎn)量分別為:

        由電網(wǎng)企業(yè)利益最大化的一般均衡條件,可得:

        在一定的電力需求水平下,電網(wǎng)企業(yè)多購買和銷售風(fēng)電,則意味著要減少購買和銷售相應(yīng)的常規(guī)能源電力。目前的風(fēng)電成本高于常規(guī)能源發(fā)電成本,電網(wǎng)企業(yè)不可能從購買和銷售風(fēng)電中直接獲益,導(dǎo)致風(fēng)電的發(fā)展與電網(wǎng)企業(yè)的支持并不協(xié)調(diào),存在著較為嚴(yán)重的“棄風(fēng)”“棄電”現(xiàn)象。

        電網(wǎng)企業(yè)對風(fēng)電并網(wǎng)的需求采取的策略是“允許”和“不允許”。當(dāng)電網(wǎng)企業(yè)采取“不允許”策略時,政府采用補(bǔ)貼策略鼓勵電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng),或采用懲罰策略對電網(wǎng)企業(yè)不允許風(fēng)電并網(wǎng)的行為給予一定的處罰,從而激勵或迫使電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng)。

        假設(shè)政府對電網(wǎng)企業(yè)既不補(bǔ)貼也不處罰,將存在u單位的風(fēng)電因不能并網(wǎng)而處于閑置狀態(tài),即風(fēng)電企業(yè)相對于式(4)中的納什均衡并網(wǎng)產(chǎn)量減少了u單位。常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)根據(jù)風(fēng)電企業(yè)實際并網(wǎng)發(fā)電量調(diào)整最優(yōu)生產(chǎn)量,依據(jù)邊際收益等于邊際成本的生產(chǎn)者均衡條件,可以求得常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)的產(chǎn)量增量為

        假定政府以福利最大化為目標(biāo),做出對電網(wǎng)企業(yè)采用補(bǔ)貼或懲罰的策略選擇。社會福利w等于消費者剩余加上產(chǎn)業(yè)利潤和政府凈收入。其中消費者的效用函數(shù)采用Dixit型[8],即消費者剩余為以政府對電網(wǎng)企業(yè)既不補(bǔ)貼也不處罰時處于均衡的狀態(tài)為基準(zhǔn),根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)在不同策略選擇下的收益增量和社會福利的變動,構(gòu)造政府與電網(wǎng)企業(yè)之間博弈的收益矩陣,如表1所示。

        表1 政府與電網(wǎng)企業(yè)博弈的收益矩陣

        可以看出,為了促進(jìn)風(fēng)電的發(fā)展,當(dāng)政府選擇補(bǔ)貼策略,使電網(wǎng)企業(yè)收益增量ΔR31>0且福利增量Δw1>0時,(允許,補(bǔ)貼)是占優(yōu)策略;當(dāng)政府選擇處罰策略,使電網(wǎng)企業(yè)收益增量ΔR33>ΔR32且福利增量Δw2≥Δw3時,(不允許,懲罰)是占優(yōu)策略。

        二、模型分析

        (一)ΔR31> 0且 Δw1≥0

        電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng),政府給予電網(wǎng)企業(yè)一定的補(bǔ)貼。設(shè)政府對電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng)的單位補(bǔ)貼為l,則電網(wǎng)企業(yè)收益可表示為:

        其中,r為電網(wǎng)企業(yè)單位電量的利潤率,d為適應(yīng)風(fēng)電所需電網(wǎng)升級改造的單位成本。

        相對于政府既不補(bǔ)貼也不處罰時的基準(zhǔn)狀態(tài),電網(wǎng)企業(yè)均衡時的收益增量為:

        代入式(5)可得:

        式(9)是關(guān)于u的二次凸函數(shù),由ΔR31>0可得:

        從式(10)可以看出,為鼓勵電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng),政府的補(bǔ)貼率不是簡單地高于電網(wǎng)升級改造單位成本即可,而是在一定程度上可以低于電網(wǎng)升級改造單位成本。當(dāng)時,政府只有給予電網(wǎng)企業(yè)一定的補(bǔ)貼才能調(diào)動其允許風(fēng)電并網(wǎng)的積極性;當(dāng)時,即使政府不補(bǔ)貼,電網(wǎng)企業(yè)也有對其電網(wǎng)進(jìn)行升級改造的積極性。這說明電網(wǎng)升級改造的動力歸根結(jié)底取決于風(fēng)電企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模。當(dāng)風(fēng)電企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到一定量,從而使“棄風(fēng)”量積累到一定程度時,即使政府對電網(wǎng)企業(yè)的補(bǔ)貼率很低,電網(wǎng)企業(yè)也有動力對電網(wǎng)進(jìn)行升級改造以適應(yīng)風(fēng)電的發(fā)展。

        相對于政府對電網(wǎng)企業(yè)既不補(bǔ)貼也不懲罰時的均衡狀態(tài),由于政府對電網(wǎng)企業(yè)的激勵,從而使常規(guī)能源企業(yè)收益增量為:

        風(fēng)電企業(yè)收益增量為:

        消費者剩余增量為:

        從而可得福利增量為:

        代入式(5)(6)(9)及式(11)—(13),可得:

        式(15)是關(guān)于u的二次凸函數(shù),由Δw1≥0可得:

        從式(16)可以看出,當(dāng)“棄風(fēng)”量u大于一定量時,政府只有采取補(bǔ)貼策略以鼓勵電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng)才能增加社會福利,否則得不償失。

        (二)ΔR32 > ΔR33且 Δw2≥ Δw3

        當(dāng)政府選擇懲罰策略對電網(wǎng)企業(yè)不允許風(fēng)電并網(wǎng)的行為給予一定懲罰時,電網(wǎng)企業(yè)可以選擇允許風(fēng)電并網(wǎng)以避免政府懲罰,或出于自身利益的考慮甘愿承擔(dān)政府懲罰而不允許風(fēng)電并網(wǎng)。假設(shè)政府對電網(wǎng)企業(yè)不允許風(fēng)電并網(wǎng)的單位處罰為f,根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)策略選擇的不同,當(dāng)電網(wǎng)企業(yè)選擇“允許”策略時,電網(wǎng)企業(yè)收益增量可表示為:

        此時,由于式(11)—(13)不變,而政府凈收入相對增加 ,則福利增量Δw3=Δw1。當(dāng)Δw2>0時,同樣可得式(16)。

        當(dāng)電網(wǎng)企業(yè)選擇“不允許”策略時,電網(wǎng)企業(yè)收益增量可表示為:

        此時電力企業(yè)的均衡產(chǎn)量相當(dāng)于政府對電網(wǎng)企業(yè)既不補(bǔ)貼也不懲罰時處于均衡狀態(tài)下的均衡產(chǎn)量,即常規(guī)能源發(fā)電企業(yè)和風(fēng)電企業(yè)的收益增量,以及消費者剩余增量均為0。由于政府凈收入增加了uf,從而可得Δw3= Δw1。當(dāng)Δw3> 0時,同樣可得式(16)。

        根據(jù)表1中的支付矩陣,當(dāng)ΔR32>ΔR33時,電網(wǎng)企業(yè)的占優(yōu)策略是“允許”;當(dāng)ΔR32<ΔR33時,電網(wǎng)企業(yè)的占優(yōu)策略是“不允許”;而當(dāng)ΔR32=ΔR33時,電網(wǎng)企業(yè)選擇“允許”或“不允許”策略對其收益的影響沒有區(qū)別。因此,若政府希望通過給予電網(wǎng)企業(yè)一定的懲罰以迫使其允許風(fēng)電并網(wǎng),則制定的處罰率f應(yīng)使ΔR32>ΔR33。由式(18)和(19)可得:

        綜合以上分析結(jié)果,在各種情況下的福利增量函數(shù)中都與補(bǔ)貼變量或懲罰變量無關(guān),并且Δw1=Δw2=Δw3,說明政府對電網(wǎng)企業(yè)采用補(bǔ)貼措施和懲罰措施對社會福利的影響是等效的。結(jié)合式(10)(16)和(21)及其政策含義,可知,當(dāng)u<(8c2+8d-2a-8m-4c1)/(3+2r)時,政府對電網(wǎng)企業(yè)采用補(bǔ)貼或懲罰措施不但不能增加社會福利,反而會造成社會福利的損失。此時,政府對電網(wǎng)企業(yè)最好的策略是既不補(bǔ)貼也不懲罰。

        當(dāng)(8c2+8d-2a-8m-4c1)/(3+2r)≤u≤時,政府對電網(wǎng)企業(yè)只有采取補(bǔ)貼或懲罰措施,才能有助于社會福利的增加,并且單位補(bǔ)貼或懲罰量應(yīng)大于

        三、結(jié)論

        風(fēng)電并網(wǎng)困難問題嚴(yán)重制約了當(dāng)前風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,本文通過對風(fēng)電并網(wǎng)過程中涉及的主要利益主體之間的非合作博弈分析,注重把握各利益主體之間的利益博弈關(guān)系及其影響因素,著重探討了政府基于社會福利最大化的角度如何選擇補(bǔ)貼或處罰策略。研究結(jié)果表明:第一,理性發(fā)電企業(yè)對發(fā)電量的選擇是基于考慮補(bǔ)貼或稅收之后的實際邊際生產(chǎn)成本做出的,而電網(wǎng)企業(yè)對允許或不允許風(fēng)電并網(wǎng)的選擇則是基于相應(yīng)的期望回報或可能受到處罰做出的。第二,為推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,政府對電網(wǎng)企業(yè)采取補(bǔ)貼或懲罰措施對社會福利增量的影響是等效的。第三,政府對電網(wǎng)企業(yè)采取補(bǔ)貼或處罰措施的力度取決于“棄風(fēng)”量的大小。在“棄風(fēng)”量很小時,政府對電網(wǎng)企業(yè)最好的策略是既不補(bǔ)貼也不處罰;隨著“棄風(fēng)”量越來越大,政府應(yīng)主動對電網(wǎng)企業(yè)采取補(bǔ)貼或懲罰措施;當(dāng)“棄風(fēng)”量大到一定程度時,受利益的驅(qū)使,電網(wǎng)企業(yè)將主動對電網(wǎng)進(jìn)行改造升級以適應(yīng)風(fēng)電的發(fā)展,此時,政府可以減少甚至不對電網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼或懲罰。需要指出的是,本文把各利益主體之間的博弈看作一個完全信息靜態(tài)博弈,并且假定各參與方是完全理性的,這與現(xiàn)實中具體的博弈可能存在偏差,需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。

        [1] 王仲穎,任東明,高虎.中國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

        [2] 2014年風(fēng)電上網(wǎng)電量占全部發(fā)電量的2.78%[EB/OL].[2014 -09 -20].http://www.chinapower.com.cn/newsarticle/1229/new1229735.asp.

        [3] 王曉天,薛惠鋒,張強(qiáng).可再生能源發(fā)電并網(wǎng)利益協(xié)調(diào)演化博弈分析[J].系統(tǒng)工程,2012(4):94-99.

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