鮑熊劍濤, 趙文會(huì), 宋亞君, 王曉梅

(1.上海電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,上海 200090; 2.國網(wǎng)上海市電力公司 崇明供電公司,上海 202150; 3.上海交通大學(xué) 國家電投智慧能源創(chuàng)新學(xué)院,上海 200240)

0 引言

固定上網(wǎng)電價(jià)(Feed-in Tariff，F(xiàn)IT)政策激勵(lì)了中國可再生能源電力的投資，但電網(wǎng)消納能力的不足造成“棄電”現(xiàn)象[1]?？稍偕茉措娏ρa(bǔ)貼的缺口促使中國引入可再生能源配額制(Renewable Portfolio Standards，RPS)。配額制為一種數(shù)量驅(qū)動(dòng)(Quantity Driven)支持機(jī)制，其實(shí)施一般輔之以可交易的綠色證書(Tradable Green Certificate，TGC)[2,3]，借助市場以最小系統(tǒng)成本完成能源轉(zhuǎn)型[4]。另一方面，中國同期為實(shí)現(xiàn)減排承諾，以電力行業(yè)作為試點(diǎn)對(duì)象建立了全國碳排放權(quán)交易(emissions trading，ET)。因此，需分析上述兩項(xiàng)政策并行實(shí)施于電力市場時(shí)，政策間的相互作用對(duì)實(shí)施效果的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多假設(shè)以發(fā)電商為配額制的責(zé)任主體，不符合中國的政策現(xiàn)狀。故本文建立以售電商為配額制的責(zé)任主體的兩級(jí)供應(yīng)鏈模型，通過引入售電商競爭強(qiáng)度變量，建構(gòu)了包含若多個(gè)售電商的完全競爭零售市場。從而本文在更為一般的情境中，研究了以售電商為配額制的責(zé)任主體時(shí)，市場參與者的博弈行為與政策實(shí)施效果，并基于均衡結(jié)果具體分析了配額比例、碳排放權(quán)價(jià)格與售電商競爭強(qiáng)度等因素的作用方式。

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 可再生能源配額制的相關(guān)研究

綠色證書價(jià)格受供求關(guān)系影響，較大的可再生能源電力產(chǎn)量波動(dòng)可能造成證書價(jià)格的劇烈變動(dòng)[5]。為提高制度的效率，配額比例應(yīng)使證書具備稀缺性[6]。同時(shí)，綠色證書交易通過成本與價(jià)格的傳導(dǎo)，作用于電力市場。雖然可再生能源配額制可使得邊際電價(jià)下降[7]，但難以確定對(duì)零售電價(jià)的影響[7,8]。較之固定上網(wǎng)電價(jià)政策，可再生能源配額制激勵(lì)投資的效果更為平穩(wěn)[9,10]，但有必要設(shè)置合理的配額比例與罰金[9,11]。然而，配額制增加了新投資者面臨的風(fēng)險(xiǎn)[3]，面臨難以促進(jìn)可再生能源發(fā)電技術(shù)革新[12]，抬高綠色證書與電力價(jià)格等問題[13]。

1.2 可再生能源配額制與碳排放權(quán)交易的相互作用

政策工具組合(Policy Mix)的內(nèi)涵同時(shí)囊括了政策工具間的相互作用，政策制定過程及長期目標(biāo)，于近年被用于討論碳排放權(quán)交易與可再生能源電力支持政策并存的情境[14～16]。因可再生能源電力的環(huán)境效益，兩項(xiàng)制度的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)路徑與實(shí)施效果存在重疊[17]，即規(guī)制重疊效應(yīng)(overlapping regulation effects)[18]。具體而言，包括碳排放配額是否考慮了配額制的額外減排效應(yīng)，以及額外減排效應(yīng)如何影響碳排放權(quán)價(jià)格[7,16,19,20]。然而，該效應(yīng)的具體影響尚無定論[19～23]。

此外，綠色證書價(jià)格將通過電力價(jià)格與碳排放權(quán)價(jià)格構(gòu)成聯(lián)系[8]。引入碳排放權(quán)交易后，綠色證書的價(jià)格隨零售電價(jià)上漲而下降[8]。但更為嚴(yán)格的碳排放要求不僅可能減小可再生能源發(fā)電量[24]，且不利于分布式可再生能源的發(fā)展[25]。

中國的可再生能源配額制度將以售電商為責(zé)任主體[26]，但少有文獻(xiàn)以該前提分析配額制的政策效果[27]，且多簡化為寡頭模型。本文針對(duì)上述兩點(diǎn)不足，納入售電商競爭變量拓展已有均衡模型，使結(jié)論符合政策實(shí)踐的同時(shí)具備普適性。

2 理論假設(shè)與博弈模型

如圖 1所示，建立一個(gè)兩級(jí)供應(yīng)鏈模型分析政策的實(shí)施效果。圖1包含批發(fā)市場與零售市場。假設(shè)批發(fā)市場包括火力發(fā)電商與可再生能源發(fā)電商兩類發(fā)電主體，二者向售電商出售火電與可再生能源電力的價(jià)格分別為wi,t和wr,i。由于不同能源生產(chǎn)的電力的物理屬性基本一致，難以區(qū)分銷售，因此假定售電商打包不同類型電力，以單一價(jià)格pi出售消費(fèi)者。綜上，發(fā)電商的集合為M={1,2}，售電商的集合為R={1,2,…,n}。兩類發(fā)電商的批發(fā)價(jià)格策略向量分別為wt={wt,1,wt,2,…,wt,n}和wr={wr,1,wr,2,…,wr,n}；售電商的零售價(jià)格策略向量為p={p1,p2,…,pn}。博弈順序?yàn)椋旱谝浑A段，發(fā)電商在批發(fā)市場報(bào)價(jià)，且火力發(fā)電商與可再生能源發(fā)電商分別決策最優(yōu)減排量與綠色證書價(jià)格，以最大化自身利潤；第二階段，售電商購買電力后，制定零售電價(jià)出售消費(fèi)者獲取最大利潤。

圖1 電力供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)與博弈順序

2.1 符號(hào)說明

各變量說明參見表1。其中pi、wt,i、wr,i、cg,i與Ai為決策變量，πr,i、πmt與為πmr目標(biāo)函數(shù)，其他參數(shù)為常量。

表1 模型參數(shù)說明

2.2 基本假設(shè)

(1)

假設(shè)售電商僅購買配額比例的可再生能源電力，則售電商i的利潤函數(shù)為:

πr,i=α(pi+cg,i-wr,i)qi+(1-α)(pi-wt,i)qi

(2)

ct和cr分別為生產(chǎn)單位火電與單位可再生能源電力平均成本。同時(shí)引入可再生能源配額制與碳排放權(quán)交易時(shí)，火電與可再生能源電力發(fā)電商總利潤分別為:

(3)

(4)

當(dāng)只引入可再生能源配額制時(shí)，上述假定不變，火力發(fā)電商的目標(biāo)函數(shù)為:

(5)

3 模型求解

本節(jié)目標(biāo)函數(shù)的Hessian矩陣是負(fù)定的。

3.1 零售市場均衡結(jié)果

根據(jù)博弈順序和逆向求解法，首先求解售電商的最優(yōu)零售電價(jià)。由于售電商目標(biāo)函數(shù)的Hessian矩陣負(fù)定，售電商的最優(yōu)零售電價(jià)可由式(2)一階條件解得：

(6)

其中ηi=α(wr,i+cg,i)+(1-α)wt,i，表示售電商采購單位電力的成本。式(6)表明售電商依據(jù)市場潛在需求，售電商之間的采購成本差值以及售自身采購成本決策零售電價(jià)。

3.2 批發(fā)市場均衡結(jié)果

發(fā)電商利用售電商的價(jià)格反應(yīng)函數(shù)決定批發(fā)市場報(bào)價(jià)。發(fā)電商目標(biāo)函數(shù)的Hessian矩陣負(fù)定，由式(3)和式(4)一階條件可得批發(fā)電價(jià)與售電商采購成本為:

(7)

(8)

3.3 最優(yōu)減排量

火力發(fā)電商的最優(yōu)減排量可由一階條件?πmt/?Ai=0解得:

(9)

4 制度實(shí)施影響分析

相類似，可解得只引入可再生能源配額制時(shí)的Nash均衡解，如表2所示。

表2 電力供應(yīng)鏈Nash均衡結(jié)果

計(jì)算表2兩種情境均衡結(jié)果的差值，可得到在實(shí)施可再生能源配額制的基礎(chǔ)上，引入碳排放權(quán)交易對(duì)供應(yīng)鏈的影響：

(10)

(11)

則總電力需求變動(dòng)為:

(12)

命題1引入碳排放權(quán)交易后，火力發(fā)電商將轉(zhuǎn)嫁部分碳排放成本，導(dǎo)致火電與可再生能源電力批發(fā)價(jià)格分別上漲和下降，零售電價(jià)提高，抑制消費(fèi)者電力需求。碳排放權(quán)交易將增加消費(fèi)者的用電成本。

命題1與其他研究結(jié)論相符：碳排放權(quán)交易的引入使得環(huán)境成本內(nèi)化至火電生產(chǎn)成本，火電批發(fā)價(jià)格與零售電價(jià)隨之上漲[32]；同時(shí)碳排放權(quán)交易可能造成綠色證書價(jià)格下降[33]。命題1進(jìn)一步指出，碳排放權(quán)價(jià)格上漲將促使可再生能源發(fā)電商降低報(bào)價(jià)，以最大化自身利潤。換言之，可再生能源電力批發(fā)價(jià)格(含綠色證書價(jià)格)因引入碳排放權(quán)交易而下降。雖然售電商采購綠色電力的成本因此而降低，零售電價(jià)仍將因碳排放權(quán)交易而上漲。

式(10)和式(11)中引入碳排放權(quán)交易對(duì)電價(jià)與電力需求的影響可拆解為火電增加成本(ei-pc,i/2ζ)pc,i與某一系數(shù)乘積。在消費(fèi)側(cè)，該系數(shù)由配額比例α與售電商差異性γ構(gòu)成；在批發(fā)側(cè)，由配額比例α構(gòu)成。下文對(duì)諸參數(shù)做進(jìn)一步討論。

4.1 碳排放權(quán)價(jià)格與減排成本對(duì)政策效果的影響

命題2火電減排成本提高與碳排放權(quán)價(jià)格上升將提高火電批發(fā)價(jià)格與零售電價(jià)漲幅，同時(shí)增加可再生能源電力價(jià)格與電力需求量降幅。

火電批發(fā)價(jià)格上升源于火力發(fā)電商尋求將增加的成本轉(zhuǎn)嫁至售電商。觀察式(8)售電商的反應(yīng)函數(shù)可知，售電商將因此尋求抬高電力零售價(jià)格，用電成本增加隨之造成電力需求減少[8]。然而，碳排放權(quán)交易將同時(shí)影響可再生能源發(fā)電商的收益。命題2表明，可再生能源發(fā)電商為減小電力需求下降對(duì)利潤的負(fù)面影響，降低自身批發(fā)價(jià)格，從而削減火力發(fā)電商轉(zhuǎn)嫁成本所造成的電力需求量下降。然而均衡結(jié)果表明，可再生能源電力批發(fā)價(jià)格的降低不足以抵消轉(zhuǎn)嫁的碳排放權(quán)交易成本，最終零售電價(jià)上漲，總電力需求量下降。因此，碳排放權(quán)交易的引入亦使可再生能源發(fā)電商的收益面臨下行壓力。

4.2 零售側(cè)競爭對(duì)政策效果的影響

命題3售電商差異性對(duì)均衡結(jié)果直接影響不明確。但當(dāng)售電商差異性提高時(shí)，引入碳排放權(quán)交易造成的零售電價(jià)漲幅下降，消費(fèi)者承擔(dān)的轉(zhuǎn)嫁成本減小，故電力需求降幅減小。當(dāng)火電減排成本與碳排放權(quán)價(jià)格提高時(shí)，零售電價(jià)與電力需求量的變化幅度將隨售電商差異性增加而趨于平緩。

與直覺認(rèn)識(shí)不同，由于零售電價(jià)均衡結(jié)果包含一項(xiàng)其他售電商購電成本之和，因此當(dāng)有更多售電商參與競爭時(shí)，消費(fèi)者的用電成本并非必然降低。另一方面，當(dāng)售電商可提供多樣化服務(wù)，即售電商差異性增加時(shí)，雖然無法判明其對(duì)均衡結(jié)果的直接影響，但零售電價(jià)差值對(duì)電力需求的影響增強(qiáng)。因此，售電商將減少轉(zhuǎn)嫁因碳排放權(quán)價(jià)格上漲而增加的成本，從而消費(fèi)者承擔(dān)的碳排放權(quán)交易轉(zhuǎn)嫁成本減小。同理，高配額比例情境下，碳排放權(quán)價(jià)格與減排成本上升帶來相對(duì)較小的零售電價(jià)漲幅與電力需求量降幅。

4.3 配額比例對(duì)政策效果的影響

命題4配額比例對(duì)均衡結(jié)果的直接影響不明確。隨著配額比例提高，零售電價(jià)漲幅，可再生能源電力批發(fā)價(jià)格漲幅與電力需求量降幅減小。當(dāng)火電減排成本與碳排放權(quán)價(jià)格提高，零售電價(jià)，可再生能源電力批發(fā)價(jià)格與電力需求量的變化幅度更為平緩。但火電價(jià)格變動(dòng)與配額比例無關(guān)。

當(dāng)配額比例提高時(shí)，由售電商的反應(yīng)函數(shù)式(8)可知，零售電價(jià)漲幅將因此減小，從而電力需求量的降幅收窄。故碳排放權(quán)交易對(duì)可再生能源發(fā)電商利潤的負(fù)面影響減弱，可再生能源電力批發(fā)價(jià)格(含綠色證書價(jià)格)降幅減小。命題4進(jìn)一步指出，雖然高配額比例可削弱引入碳排放權(quán)交易對(duì)電價(jià)與電力需求的影響，但火力發(fā)電商轉(zhuǎn)嫁的碳排放權(quán)交易成本大小不受配額比例影響。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了包含發(fā)電商與售電商的兩階段Stackelberg模型，將可再生能源配額制的分析拓寬至售電商為考核主體的情境。模型同時(shí)納入碳排放權(quán)交易，以厘清兩項(xiàng)制度并行實(shí)施時(shí)，政策組合間的相互作用對(duì)電力系統(tǒng)供應(yīng)鏈的影響。

研究結(jié)果表明，碳排放權(quán)交易內(nèi)化環(huán)境成本于火電批發(fā)價(jià)格的同時(shí)，導(dǎo)致可再生能源電力批發(fā)價(jià)格下降。由于兩種電力的價(jià)差減小，有利于實(shí)現(xiàn)在同一價(jià)格水平競爭。然而，碳排放權(quán)交易將增加消費(fèi)者的用電成本，抑制電力需求。電力需求降幅隨碳排放權(quán)價(jià)格與減排成本成正比。因此，可再生能源發(fā)電商的利潤將間接受到負(fù)面影響。反觀可再生能源配額制，配額比例不影響火電批發(fā)價(jià)格的漲幅，即碳排放權(quán)交易對(duì)環(huán)境成本的內(nèi)化效果。當(dāng)配額比例提高時(shí)，因售電商的轉(zhuǎn)嫁成本減小，消費(fèi)者的用電成本漲幅降低，從而減弱碳排放權(quán)交易對(duì)電力需求的抑制作用。加之可再生能源電力批發(fā)價(jià)格降幅減小，因此高配額比例可削弱碳排放權(quán)交易對(duì)可再生能源發(fā)電商利潤的負(fù)面影響。

另一方面，就售電商競爭程度對(duì)政策效果而言，雖參與競爭的售電商個(gè)數(shù)影響不明，但當(dāng)售電商提供多樣化服務(wù)，彼此間的差異性增加時(shí)，將減小售電商的轉(zhuǎn)嫁成本，由此減弱故因碳排放權(quán)交易造成的用電成本提高與電力需求下降。進(jìn)一步，當(dāng)碳排放權(quán)價(jià)格與減排成本上升時(shí)，售電商差異性的提高亦可平抑可再生能源電力批發(fā)價(jià)格與零售電價(jià)的波動(dòng)。

綜上，可再生能源配額制與碳排放權(quán)交易并行實(shí)施將發(fā)揮制度間的互補(bǔ)效應(yīng)。但是，碳排放權(quán)交易造成的用電成本提高可能降低政策實(shí)施效率。結(jié)合本文結(jié)論，政策制定者需實(shí)施其他配套措施，如可考慮將企業(yè)的碳排放權(quán)交易收入或政府罰金所得收入部分返還消費(fèi)者，通過此類補(bǔ)貼減緩用電成本上升的負(fù)面影響。此外，建議對(duì)售電商的增值服務(wù)展開研究，增強(qiáng)零售電力市場的競爭性，以減少售電商轉(zhuǎn)嫁給消費(fèi)者的成本。本文已討論了兩項(xiàng)制度并行實(shí)施對(duì)電力供應(yīng)鏈帶來的影響，但對(duì)配額比例的假設(shè)較為嚴(yán)格，同時(shí)忽略了電力網(wǎng)絡(luò)的物理約束。未來將在此基礎(chǔ)上放松對(duì)配額比例的假設(shè)，進(jìn)一步分析考慮物理約束的政策效果與相互作用。