風(fēng)電并網(wǎng)過程中的非合作博弈分析

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(dòng)能源產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(fèi)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(huì)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(jì)，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(dòng)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(dòng)特性的電力，其電量在總電量中的比例不超過20%時(shí)，不會(huì)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(shí)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(huì)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(lì)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(gè)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(jì)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(gè)額外的從價(jià)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(shí)，政府采用補(bǔ)貼策略鼓勵(lì)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(lì)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(shí)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(huì)福利w等于消費(fèi)者剩余加上產(chǎn)業(yè)利潤和政府凈收入。其中消費(fèi)者的效用函數(shù)采用Dixit型［8］，即消費(fèi)者剩余為以政府對電網(wǎng)企業(yè)既不補(bǔ)貼也不處罰時(shí)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(huì)福利的變動(dòng)，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(shí)，(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(shí)，(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(jí)改造的單位成本。

相對于政府既不補(bǔ)貼也不處罰時(shí)的基準(zhǔn)狀態(tài)，電網(wǎng)企業(yè)均衡時(shí)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(lì)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(jí)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(jí)改造單位成本。當(dāng)時(shí)，政府只有給予電網(wǎng)企業(yè)一定的補(bǔ)貼才能調(diào)動(dòng)其允許風(fēng)電并網(wǎng)的積極性;當(dāng)時(shí)，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(jí)改造的積極性。這說明電網(wǎng)升級(jí)改造的動(dòng)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(shí)，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(dòng)力對電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)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(shí)的均衡狀態(tài)，由于政府對電網(wǎng)企業(yè)的激勵(lì)，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(fèi)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(shí)，政府只有采取補(bǔ)貼策略以鼓勵(lì)電網(wǎng)企業(yè)允許風(fēng)電并網(wǎng)才能增加社會(huì)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(shí)，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(shí)，電網(wǎng)企業(yè)收益增量可表示為:

此時(shí)，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(shí)，同樣可得式(16)。

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

此時(shí)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(shí)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(fèi)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(shí)，同樣可得式(16)。

根據(jù)表1中的支付矩陣，當(dāng)ΔR32＞ΔR33時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)的占優(yōu)策略是“允許”;當(dāng)ΔR32＜ΔR33時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)的占優(yōu)策略是“不允許”;而當(dāng)ΔR32=ΔR33時(shí)，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(huì)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(shí)，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(huì)福利，反而會(huì)造成社會(huì)福利的損失。此時(shí)，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(shí)，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(huì)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(huì)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(shí)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(bào)或可能受到處罰做出的。第二，為推動(dòng)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(huì)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(shí)，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(dòng)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(shí)，受利益的驅(qū)使，電網(wǎng)企業(yè)將主動(dòng)對電網(wǎng)進(jìn)行改造升級(jí)以適應(yīng)風(fēng)電的發(fā)展，此時(shí)，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(gè)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(shí)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(bào)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.

［4］ 王仲穎，任東明，高虎.中國非化石能源之路——2020年非化石能源滿足15%能源需求目標(biāo)的途徑和措施研究［M］.北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社，2012.

［5］ 〔美〕道格立斯 G.拜爾，羅伯特 H.格特納，蘭德爾 C.皮克.法律的博弈分析［M］.嚴(yán)旭陽，譯.北京:法律出版社，1999.

［6］ RILLING JK，GLENN A L，JAIRAM M R.Neural correlates of social cooperation and non-cooperation as a function of psychopathy［J］.Biological Psychiatry，2007(11):1260 －1271.

［7］ NEUMANN J，MORGENSTERN O.Theory of games and economic behavior［M］.NJ:Princeton University Press，1994.

［8］ DIXITA K，STIGLITZ JE.Monopolistic competition and optimum product diversity［J］.American Economic Review，1977(3):297－308.