風電并網過程中的非合作博弈分析

王曉天

(河南工程學院工商管理學院，河南鄭州451191)

引言

大力促進風能、太陽能等可再生能源的開發與利用已成為世界各國保障能源供應安全、應對氣候變化、推動能源產業升級的共同選擇，也是中國能源戰略調整的重要內容。中國已明確提出到2020年非化石能源占能源消費比重達到15%左右、單位國內生產總值(GDP)碳排放強度比2005年下降40%—45%的發展目標。［1］在社會各界的共同努力下，中國風電得到了迅速發展，2014年總并網裝機容量達到9637萬千瓦，發電量占全國總發電量的2.78% 。［2］

隨著規模的不斷擴大，中國風電發展面臨的瓶頸問題日益突出，已從過去來自技術水平、產業能力方面的約束，轉變為來自市場機制、發展體制方面的制約，主要體現在并網困難方面。根據可持續能源服務與創新公司情景分析估計，工業化國家的電網在不進一步現代化的情況下可傳輸波動電力為總電量的20%—30%。［3］國內專家也普遍認為，中國電網傳輸風電、光伏發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，不會對電網企業造成明顯的成本增加。［4］在當前風電等可再生能源發電量在總電量中的比例僅約占2.78%的情況下，電網企業以技術障礙為由限制風電并網，難以令人信服。電網企業與風電企業的非合作問題已嚴重阻礙了中國風電的進一步發展。

博弈論注重不同利益主體之間的相互作用和對結果的影響，并積極預測和尋求最優均衡，而政策的實質就是一種博弈規則，其最終的有效結果就是各利益主體相互博弈所達到的均衡結果。根據道榭立斯G.拜爾等人在《法律的博弈分析》一書中所體現的研究邏輯與思路，只有深入分析風電并網過程中的利益主體，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系及影響因素，為制定有效的風電政策和選擇合理的激勵與約束策略，提供理論指導與決策參考。

一、模型構建

風電企業進入電力市場首先面對的是與常規能源發電企業之間的博弈。我們可以把常規能源發電企業和風電企業看作并網發電市場中的兩個生產寡頭，在不存在并網障礙的情況下，它們共同面對的市場需求函數為p(q)=a－b(q1+q2)。其中q1為傳統能源發電量，q2為風力發電量，a與b為參數。為了簡化計算，假定b=1。假設常規能源單位發電成本為c1，風力單位發電成本為c2，一般有c2＞c1;政府對風電的單位補貼額為s，對常規能源發電所產生的負外部性征收一個額外的從價稅，稅率為m。若不考慮電網約束，則:

常規能源發電企業收益

風電企業收益

分別對式(1)和式(2)求極值，可得常規能源發電企業和風電企業的納什均衡并網產量分別為:

由電網企業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，電網企業多購買和銷售風電，則意味著要減少購買和銷售相應的常規能源電力。目前的風電成本高于常規能源發電成本，電網企業不可能從購買和銷售風電中直接獲益，導致風電的發展與電網企業的支持并不協調，存在著較為嚴重的“棄風”“棄電”現象。

電網企業對風電并網的需求采取的策略是“允許”和“不允許”。當電網企業采取“不允許”策略時，政府采用補貼策略鼓勵電網企業允許風電并網，或采用懲罰策略對電網企業不允許風電并網的行為給予一定的處罰，從而激勵或迫使電網企業允許風電并網。

假設政府對電網企業既不補貼也不處罰，將存在u單位的風電因不能并網而處于閑置狀態，即風電企業相對于式(4)中的納什均衡并網產量減少了u單位。常規能源發電企業根據風電企業實際并網發電量調整最優生產量，依據邊際收益等于邊際成本的生產者均衡條件，可以求得常規能源發電企業的產量增量為

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

表1 政府與電網企業博弈的收益矩陣

可以看出，為了促進風電的發展，當政府選擇補貼策略，使電網企業收益增量ΔR31＞0且福利增量Δw1＞0時，(允許，補貼)是占優策略;當政府選擇處罰策略，使電網企業收益增量ΔR33＞ΔR32且福利增量Δw2≥Δw3時，(不允許，懲罰)是占優策略。

二、模型分析

(一)ΔR31＞ 0且 Δw1≥0

電網企業允許風電并網，政府給予電網企業一定的補貼。設政府對電網企業允許風電并網的單位補貼為l，則電網企業收益可表示為:

其中，r為電網企業單位電量的利潤率，d為適應風電所需電網升級改造的單位成本。

相對于政府既不補貼也不處罰時的基準狀態，電網企業均衡時的收益增量為:

代入式(5)可得:

式(9)是關于u的二次凸函數，由ΔR31＞0可得:

從式(10)可以看出，為鼓勵電網企業允許風電并網，政府的補貼率不是簡單地高于電網升級改造單位成本即可，而是在一定程度上可以低于電網升級改造單位成本。當時，政府只有給予電網企業一定的補貼才能調動其允許風電并網的積極性;當時，即使政府不補貼，電網企業也有對其電網進行升級改造的積極性。這說明電網升級改造的動力歸根結底取決于風電企業的生產規模。當風電企業生產規模達到一定量，從而使“棄風”量積累到一定程度時，即使政府對電網企業的補貼率很低，電網企業也有動力對電網進行升級改造以適應風電的發展。

相對于政府對電網企業既不補貼也不懲罰時的均衡狀態，由于政府對電網企業的激勵，從而使常規能源企業收益增量為:

風電企業收益增量為:

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)是關于u的二次凸函數，由Δw1≥0可得:

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

(二)ΔR32 ＞ ΔR33且 Δw2≥ Δw3

當政府選擇懲罰策略對電網企業不允許風電并網的行為給予一定懲罰時，電網企業可以選擇允許風電并網以避免政府懲罰，或出于自身利益的考慮甘愿承擔政府懲罰而不允許風電并網。假設政府對電網企業不允許風電并網的單位處罰為f，根據電網企業策略選擇的不同，當電網企業選擇“允許”策略時，電網企業收益增量可表示為:

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Δw2＞0時，同樣可得式(16)。

當電網企業選擇“不允許”策略時，電網企業收益增量可表示為:

此時電力企業的均衡產量相當于政府對電網企業既不補貼也不懲罰時處于均衡狀態下的均衡產量，即常規能源發電企業和風電企業的收益增量，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Δw3＞ 0時，同樣可得式(16)。

根據表1中的支付矩陣，當ΔR32＞ΔR33時，電網企業的占優策略是“允許”;當ΔR32＜ΔR33時，電網企業的占優策略是“不允許”;而當ΔR32=ΔR33時，電網企業選擇“允許”或“不允許”策略對其收益的影響沒有區別。因此，若政府希望通過給予電網企業一定的懲罰以迫使其允許風電并網，則制定的處罰率f應使ΔR32＞ΔR33。由式(18)和(19)可得:

綜合以上分析結果，在各種情況下的福利增量函數中都與補貼變量或懲罰變量無關，并且Δw1=Δw2=Δw3，說明政府對電網企業采用補貼措施和懲罰措施對社會福利的影響是等效的。結合式(10)(16)和(21)及其政策含義，可知，當u＜(8c2+8d－2a－8m－4c1)/(3+2r)時，政府對電網企業采用補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，政府對電網企業最好的策略是既不補貼也不懲罰。

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

三、結論

風電并網困難問題嚴重制約了當前風電產業的進一步發展，本文通過對風電并網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貼或處罰策略。研究結果表明:第一，理性發電企業對發電量的選擇是基于考慮補貼或稅收之后的實際邊際生產成本做出的，而電網企業對允許或不允許風電并網的選擇則是基于相應的期望回報或可能受到處罰做出的。第二，為推動風電產業的發展，政府對電網企業采取補貼或懲罰措施對社會福利增量的影響是等效的。第三，政府對電網企業采取補貼或處罰措施的力度取決于“棄風”量的大小。在“棄風”量很小時，政府對電網企業最好的策略是既不補貼也不處罰;隨著“棄風”量越來越大，政府應主動對電網企業采取補貼或懲罰措施;當“棄風”量大到一定程度時，受利益的驅使，電網企業將主動對電網進行改造升級以適應風電的發展，此時，政府可以減少甚至不對電網企業進行補貼或懲罰。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博弈，并且假定各參與方是完全理性的，這與現實中具體的博弈可能存在偏差，需要在后續研究中進一步完善。

［1］ 王仲穎，任東明，高虎.中國可再生能源產業發展報告［M］.北京:化學工業出版社，2011.

［2］ 2014年風電上網電量占全部發電量的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.可再生能源發電并網利益協調演化博弈分析［J］.系統工程，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%能源需求目標的途徑和措施研究［M］.北京:中國經濟出版社，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.