风电并网过程中的非合作博弈分析

王晓天

(河南工程学院工商管理学院，河南郑州451191)

引言

大力促进风能、太阳能等可再生能源的开发与利用已成为世界各国保障能源供应安全、应对气候变化、推动能源产业升级的共同选择，也是中国能源战略调整的重要内容。中国已明确提出到2020年非化石能源占能源消费比重达到15%左右、单位国内生产总值(GDP)碳排放强度比2005年下降40%—45%的发展目标。［1］在社会各界的共同努力下，中国风电得到了迅速发展，2014年总并网装机容量达到9637万千瓦，发电量占全国总发电量的2.78% 。［2］

随着规模的不断扩大，中国风电发展面临的瓶颈问题日益突出，已从过去来自技术水平、产业能力方面的约束，转变为来自市场机制、发展体制方面的制约，主要体现在并网困难方面。根据可持续能源服务与创新公司情景分析估计，工业化国家的电网在不进一步现代化的情况下可传输波动电力为总电量的20%—30%。［3］国内专家也普遍认为，中国电网传输风电、光伏发电等具有波动特性的电力，其电量在总电量中的比例不超过20%时，不会对电网企业造成明显的成本增加。［4］在当前风电等可再生能源发电量在总电量中的比例仅约占2.78%的情况下，电网企业以技术障碍为由限制风电并网，难以令人信服。电网企业与风电企业的非合作问题已严重阻碍了中国风电的进一步发展。

博弈论注重不同利益主体之间的相互作用和对结果的影响，并积极预测和寻求最优均衡，而政策的实质就是一种博弈规则，其最终的有效结果就是各利益主体相互博弈所达到的均衡结果。根据道榭立斯G.拜尔等人在《法律的博弈分析》一书中所体现的研究逻辑与思路，只有深入分析风电并网过程中的利益主体，研究在新政策下各利益主体博弈的均衡，只有在此基础上才会制定有效的政策。［5］本文利用博弈理论的思想和方法［6－7］，研究各利益主体之间的博弈关系及影响因素，为制定有效的风电政策和选择合理的激励与约束策略，提供理论指导与决策参考。

一、模型构建

风电企业进入电力市场首先面对的是与常规能源发电企业之间的博弈。我们可以把常规能源发电企业和风电企业看作并网发电市场中的两个生产寡头，在不存在并网障碍的情况下，它们共同面对的市场需求函数为p(q)=a－b(q1+q2)。其中q1为传统能源发电量，q2为风力发电量，a与b为参数。为了简化计算，假定b=1。假设常规能源单位发电成本为c1，风力单位发电成本为c2，一般有c2＞c1;政府对风电的单位补贴额为s，对常规能源发电所产生的负外部性征收一个额外的从价税，税率为m。若不考虑电网约束，则:

常规能源发电企业收益

风电企业收益

分别对式(1)和式(2)求极值，可得常规能源发电企业和风电企业的纳什均衡并网产量分别为:

由电网企业利益最大化的一般均衡条件，可得:

在一定的电力需求水平下，电网企业多购买和销售风电，则意味着要减少购买和销售相应的常规能源电力。目前的风电成本高于常规能源发电成本，电网企业不可能从购买和销售风电中直接获益，导致风电的发展与电网企业的支持并不协调，存在着较为严重的“弃风”“弃电”现象。

电网企业对风电并网的需求采取的策略是“允许”和“不允许”。当电网企业采取“不允许”策略时，政府采用补贴策略鼓励电网企业允许风电并网，或采用惩罚策略对电网企业不允许风电并网的行为给予一定的处罚，从而激励或迫使电网企业允许风电并网。

假设政府对电网企业既不补贴也不处罚，将存在u单位的风电因不能并网而处于闲置状态，即风电企业相对于式(4)中的纳什均衡并网产量减少了u单位。常规能源发电企业根据风电企业实际并网发电量调整最优生产量，依据边际收益等于边际成本的生产者均衡条件，可以求得常规能源发电企业的产量增量为

假定政府以福利最大化为目标，做出对电网企业采用补贴或惩罚的策略选择。社会福利w等于消费者剩余加上产业利润和政府净收入。其中消费者的效用函数采用Dixit型［8］，即消费者剩余为以政府对电网企业既不补贴也不处罚时处于均衡的状态为基准，根据电网企业在不同策略选择下的收益增量和社会福利的变动，构造政府与电网企业之间博弈的收益矩阵，如表1所示。

表1 政府与电网企业博弈的收益矩阵

可以看出，为了促进风电的发展，当政府选择补贴策略，使电网企业收益增量ΔR31＞0且福利增量Δw1＞0时，(允许，补贴)是占优策略;当政府选择处罚策略，使电网企业收益增量ΔR33＞ΔR32且福利增量Δw2≥Δw3时，(不允许，惩罚)是占优策略。

二、模型分析

(一)ΔR31＞ 0且 Δw1≥0

电网企业允许风电并网，政府给予电网企业一定的补贴。设政府对电网企业允许风电并网的单位补贴为l，则电网企业收益可表示为:

其中，r为电网企业单位电量的利润率，d为适应风电所需电网升级改造的单位成本。

相对于政府既不补贴也不处罚时的基准状态，电网企业均衡时的收益增量为:

代入式(5)可得:

式(9)是关于u的二次凸函数，由ΔR31＞0可得:

从式(10)可以看出，为鼓励电网企业允许风电并网，政府的补贴率不是简单地高于电网升级改造单位成本即可，而是在一定程度上可以低于电网升级改造单位成本。当时，政府只有给予电网企业一定的补贴才能调动其允许风电并网的积极性;当时，即使政府不补贴，电网企业也有对其电网进行升级改造的积极性。这说明电网升级改造的动力归根结底取决于风电企业的生产规模。当风电企业生产规模达到一定量，从而使“弃风”量积累到一定程度时，即使政府对电网企业的补贴率很低，电网企业也有动力对电网进行升级改造以适应风电的发展。

相对于政府对电网企业既不补贴也不惩罚时的均衡状态，由于政府对电网企业的激励，从而使常规能源企业收益增量为:

风电企业收益增量为:

消费者剩余增量为:

从而可得福利增量为:

代入式(5)(6)(9)及式(11)—(13)，可得:

式(15)是关于u的二次凸函数，由Δw1≥0可得:

从式(16)可以看出，当“弃风”量u大于一定量时，政府只有采取补贴策略以鼓励电网企业允许风电并网才能增加社会福利，否则得不偿失。

(二)ΔR32 ＞ ΔR33且 Δw2≥ Δw3

当政府选择惩罚策略对电网企业不允许风电并网的行为给予一定惩罚时，电网企业可以选择允许风电并网以避免政府惩罚，或出于自身利益的考虑甘愿承担政府惩罚而不允许风电并网。假设政府对电网企业不允许风电并网的单位处罚为f，根据电网企业策略选择的不同，当电网企业选择“允许”策略时，电网企业收益增量可表示为:

此时，由于式(11)—(13)不变，而政府净收入相对增加 ，则福利增量Δw3=Δw1。当Δw2＞0时，同样可得式(16)。

当电网企业选择“不允许”策略时，电网企业收益增量可表示为:

此时电力企业的均衡产量相当于政府对电网企业既不补贴也不惩罚时处于均衡状态下的均衡产量，即常规能源发电企业和风电企业的收益增量，以及消费者剩余增量均为0。由于政府净收入增加了uf，从而可得Δw3= Δw1。当Δw3＞ 0时，同样可得式(16)。

根据表1中的支付矩阵，当ΔR32＞ΔR33时，电网企业的占优策略是“允许”;当ΔR32＜ΔR33时，电网企业的占优策略是“不允许”;而当ΔR32=ΔR33时，电网企业选择“允许”或“不允许”策略对其收益的影响没有区别。因此，若政府希望通过给予电网企业一定的惩罚以迫使其允许风电并网，则制定的处罚率f应使ΔR32＞ΔR33。由式(18)和(19)可得:

综合以上分析结果，在各种情况下的福利增量函数中都与补贴变量或惩罚变量无关，并且Δw1=Δw2=Δw3，说明政府对电网企业采用补贴措施和惩罚措施对社会福利的影响是等效的。结合式(10)(16)和(21)及其政策含义，可知，当u＜(8c2+8d－2a－8m－4c1)/(3+2r)时，政府对电网企业采用补贴或惩罚措施不但不能增加社会福利，反而会造成社会福利的损失。此时，政府对电网企业最好的策略是既不补贴也不惩罚。

当(8c2+8d－2a－8m－4c1)/(3+2r)≤u≤时，政府对电网企业只有采取补贴或惩罚措施，才能有助于社会福利的增加，并且单位补贴或惩罚量应大于

三、结论

风电并网困难问题严重制约了当前风电产业的进一步发展，本文通过对风电并网过程中涉及的主要利益主体之间的非合作博弈分析，注重把握各利益主体之间的利益博弈关系及其影响因素，着重探讨了政府基于社会福利最大化的角度如何选择补贴或处罚策略。研究结果表明:第一，理性发电企业对发电量的选择是基于考虑补贴或税收之后的实际边际生产成本做出的，而电网企业对允许或不允许风电并网的选择则是基于相应的期望回报或可能受到处罚做出的。第二，为推动风电产业的发展，政府对电网企业采取补贴或惩罚措施对社会福利增量的影响是等效的。第三，政府对电网企业采取补贴或处罚措施的力度取决于“弃风”量的大小。在“弃风”量很小时，政府对电网企业最好的策略是既不补贴也不处罚;随着“弃风”量越来越大，政府应主动对电网企业采取补贴或惩罚措施;当“弃风”量大到一定程度时，受利益的驱使，电网企业将主动对电网进行改造升级以适应风电的发展，此时，政府可以减少甚至不对电网企业进行补贴或惩罚。需要指出的是，本文把各利益主体之间的博弈看作一个完全信息静态博弈，并且假定各参与方是完全理性的，这与现实中具体的博弈可能存在偏差，需要在后续研究中进一步完善。

［1］ 王仲颖，任东明，高虎.中国可再生能源产业发展报告［M］.北京:化学工业出版社，2011.

［2］ 2014年风电上网电量占全部发电量的2.78%［EB/OL］.［2014 －09 －20］.http://www.chinapower.com.cn/newsarticle/1229/new1229735.asp.

［3］ 王晓天，薛惠锋，张强.可再生能源发电并网利益协调演化博弈分析［J］.系统工程，2012(4):94－99.

［4］ 王仲颖，任东明，高虎.中国非化石能源之路——2020年非化石能源满足15%能源需求目标的途径和措施研究［M］.北京:中国经济出版社，2012.

［5］ 〔美〕道格立斯 G.拜尔，罗伯特 H.格特纳，兰德尔 C.皮克.法律的博弈分析［M］.严旭阳，译.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.