可再生能源竞争性并网发电决策研究

□蔡 强汪 涛李 玏

[1. 四川广播电视大学 成都 610073 ; 2. 电子科技大学 成都 610054]

可再生能源竞争性并网发电决策研究

□蔡 强1,2汪 涛1李 玏1

[1. 四川广播电视大学 成都 610073 ; 2. 电子科技大学 成都 610054]

可再生能源并网发电投资决策不仅受到技术、成本、政策等不确定因素的影响，相同和不同可再生能源电力技术间的竞争关系将对决策施加重要影响。针对两种不同可再生能源电力技术，构建投资时机选择期权博弈模型并分析可再生能源并网发电投资决策特征。结果表明，电网对两种可再生能源电力的收购歧视度将决定可再生能源双寡头企业在投资时机选择博弈中的均衡类型。一定参数条件下，电网收购歧视度呈由小到大变化时，博弈所产生的均衡类型相应地表现为同时投资均衡、占先均衡和顺序投资均衡。

可再生能源并网发电；期权博弈；电网收购歧视度；博弈均衡

引言

可再生能源电力相比传统能源电力，在社会经济效益和环境效益等方面具有明显的正外部性和优势。同时，可再生能源电力在电网安全稳定运行和调度调峰等方面又有其固有的负外部性，如风能、太阳能等并网发电不仅会对电网安全稳定运行产生影响，还会对电网系统提出较强调峰能力要求，从而带来电网系统投资和部分电源运行成本的大幅度增加[1]。显然，这种负外部性在作用于电网的同时，电网就会相应地做出基于自身利益最大化的反应，即电网对不同可再生能源电力实施歧视性收购政策①。因此，为了有效激励可再生能源电力投资，就必须深入研究可再生能源电力投资的微观过程和决策规律。

可再生能源电力发展过程中，源于技术、市场和相关政策的不确定性会使投资延迟。同时，源于可再生能源并网发电负外部性的电网歧视性收购将进一步强化这种延迟；另一方面，相同和不同可再生能源电力之间、可再生能源与传统化石能源之间、可再生能源发电商与电网之间的竞争、博弈关系又往往会削弱这种延迟动机。所有这些因素综合起来将对可再生能源并网发电决策产生不确定影响，处理此类问题，应用期权博弈理论和方法已逐渐成为学术界共识。

孟力、孙威[2]基于期权博弈理论分析了在当前不确定市场条件下，非对称双头垄断市场结构中的发电企业投资博弈行为；许诺等[3]在假定发电投资者进行投资决策时所面对的不确定性因素主要来自于负荷增长并考虑竞争的情况下，构造基于期权博弈理论的发电投资数学模型和求解方法；陈建华等[4]构建了可暂停期权发电项目价值测算模型，并对秸秆混烧发电和燃煤发电实际项目进行了投资价值和投资时机比较；藏宝锋等[5]将电力市场短期发电决策和长期投资决策统一到一个模型框架中，基于样本路径依赖的开环信息结构建立了一个旨在描述自由竞争市场发电商长期行为的随机动态博弈模型；刘君等[6]提出了基于实物期权理论的光伏发电投资决策模型；高波等[7]构建了基于暂停期权的低碳发电项目投资价值模型及投资临界值计算模型；黄文杰、黄奕[8]研构造了一种基于投资者不同风险偏好的发电期权博弈投资决策模型；王晓天等[9]运用演化博弈理论方法,建立可再生能源发电企业与电网企业合作演化博弈模型,分析其动态演化过程。根据模型中复制动态和进化稳定策略的不同,分别讨论了不同情况下常规能源电力价格、补贴率、初始投入的边际成本和分配系数等参变量之间的关系及其对系统演化结果的影响；薛万磊等[10]建立可再生能源并网保障系统动力学评估体系，在并网保障机制不同情景下模拟各行为主体的系统行为，提出促进我国可再生能源并网发电规模化发展的技术、政策、经济层面的措施、建议；杨继波、孔令丞[11]对可再生能源并网定价进行文献综述；陈政等[12]针对国内外在可再生能源发电电价形成机制和竞价策略方面的研究成果进行评述。

Takizawa等[13]按经典的实物期权原则考虑了单个核电项目的最优投资问题；Kiriyma和Atsuyaki[14]从环境政策出发，考虑了核电不会排放二氧化碳而具有的相对于传统电力能源的优势，并利用实物期权方法对这种优势进行定价；Gollier等[15]在Dixit和Pindyck[16]基础上比较了不同的核电投资策略。

通过文献梳理发现，将实物期权方法用于可再生能源电力投资或定价的研究较为普遍，期权博弈理论的应用相对较少，特别是将电网对可再生能源电力的歧视性收购现实作为产生竞争性并网发电的重要因素来考虑，并放入非对称期权博弈模型中加以研究，这与以往的研究明显不同。这种思路、视角的转变及由此带来的研究结论将对相关制度、政策、管理创新提供有益借鉴和参考。正基于此，本文针对双寡头不同可再生能源电力技术，借鉴蔡强、曾勇[17]针对双寡头企业各自研发出面向同一新兴市场的两种专利技术时的做法，构建可再生能源竞争性并网发电的非对称期权博弈模型，通过博弈均衡求解，最终揭示出电网收购歧视度与可再生能源竞争性并网发电博弈均衡类型之间的动态变化关系。

一、模型框架

假定双寡头企业在同一个已有电力市场上竞争②，分别拥有对传统能源技术的替代技术即可再生能源发电技术，正等待时机进行转换。由于转换要付出沉没成本，在此看作可再生能源并网发电投资。假定每家企业拥有1单位可再生能源发电出力的潜力，并通过承受沉没成本I而启动。可再生能源电力市场的总产出为0、1或2，取决于进行转换的企业的数量。两企业分别记作企业1和企业2，可能状态分别记作N1∈｛0,1｝，N2∈｛0,1｝。其中，0表示尚未对可再生能源发电上网，仍提供化石能源电力产品；1表示企业可再生能源发电上网。企业产出的价格由两方面因素决定：一是来自于整体性可再生能源产业需求冲击，用Y表示；二是来自于特定企业的需求冲击，用X1、X2表示③。DN1 N2、DN2 N1表示电网对企业1、 2各自的确定性市场需求参数。则企业1、2的单位产出1P、2P分别由式（1）、（2）给出

上式（1）、（2）表示：当且仅当N1=N2=1时，X1=1+K, X2=1−K, K ∈［0,1］并被称作电网收购歧视度，称企业1为优势企业，表示可再生能源电力技术相对成熟，其发电负外部性相对较少，电网更愿意收购，反之，企业2就为劣势企业；否则，X1=X2=1，这是指当只有一种或没有可再生能源电力产品上网时，相关政策迫使电网不能实行歧视性收购；令来自于可再生能源电力行业整体性需求冲击Y服从以下几何布朗运动：

企业均被假定为风险中性，其中，0＜α＜r；无风险利率、瞬时漂移率、瞬时波动率分别由r、α、σ表示，dz为标准维纳过程增量，独立服从一个均值为0，方差为dt的正态分布。令市场需求参数满足以下不等式组：

其经济意义为：企业率先转换的收益会超过双方同时转换时任何一方的收益；同时转换时即使任何一方的收益均大于初始情形时的收益，体现出国家为鼓励投资可再生能源产品所发放的“政策红利”；转换使没有转换一方收益恶化；追随者的投资将增加其收益，值得注意的是，不等式组也是对电网收购歧视度K的上限的约束，其意义在于让企业间的博弈得以产生。

二、企业价值

双寡头企业竞争性投资策略一定有三种：抢先投资，成为领导者；在对手之后投资成为追随者；双寡头同时投资。我们将分三种情况对企业的价值进行分析。

（一）优势企业1成为追随者，劣势企业2成为领导者

此时，记领导者即劣势企业可再生能源电力投资时间为初始时刻，当来自于可再生能源电力产业的需求冲击大到一定程度，即Y超过门槛值时，追随者即优势企业开始投资，而找到临界值也就发现了优势企业担当追随者时的最佳投资时机。首先，下式（5）给出了优势企业价值：

运用与Dixit和Pindyck[16]中类似的动态规划方法，得到追随者价值：

类似地，作为领导者的劣势企业的价值由式（8）表达：

利用前面追随者的结论，求解上式可以得到领导者的价值函数：

（二）优势企业1成为领导者，劣势企业2成为追随者

此时，追随者（此时为劣势企业）的价值函数：

运用价值匹配、平滑粘贴等边界条件求得临界冲击：

领导者（此时为优势企业）的价值函数：

（三）同时投资

由于是不同的可再生能源电力技术，博弈双方的最优同时投资临界点一定不同，分别记为，令则分别为：

采用Dixit和Pindyck（1994）[16]中使用的动态规划方法，分别求解得：

三、均衡分析

（一）占先均衡

当两个企业都试图成为领导者时，占先均衡就会出现。由于非对称，双方的抢先动机一定不同，这取决于电网对两种可再生能源电力的收购歧视度，即K值的大小。当K值较大时，劣势企业的抢先动机较弱，占先均衡定会出现在K值较小时，此时，一旦随机过程达到某临界值劣势企业会抢先进入市场。

图1　占先均衡

（其中：K=0.15,r=0.05,α=0.02,σ=0.1, I=100,D00=0.5,D01=0.1,D10=1.5,D11=1）

（二）顺序投资均衡

当劣势企业2完全没有抢先动机甘心成为追随者时，顺序投资均衡随之发生。此时，K值较大，优势企业1不用考虑对手的交互策略，在处进入市场。而劣势企业2则等待的到来再投资。

那么，K值究竟要多大才会使劣势企业理性地“认可”这一顺序投资均衡结果呢？此时，方程（21）必定无实数解，并且对于任何（Y为博0弈初始时的随机需求冲击），均满足即如果存在满足以下条件的临界值K*和Y*，使得：

则K*就将K分成两个“区域”：分别对应占先均衡和顺序投资均衡。当K＜K*时产生占先均衡；

当K≥K*时，产生顺序投资均衡。求解（22）式，可得Y*的解析解和关于K*的隐含解方程：

对（24）中的隐含解K*可通过数值方法求解，给定图1中除K值以外的其他参数，可求解得下图2表示产生顺序投资均衡时的情形，其中，各价值曲线的含义与图1相同。从图2中的右图可发现企业2成为追随者的价值永远大于其成为领导者时的价值，因此，企业1可“从容”地于处投资，而博弈对方则在临界点投资。

图2　顺序投资均衡

（其中：K=0.25,r=0.05,α=0.02,σ=0.1, I=100,D00=0.5,D01=0.1,D10=1.5,D11=1）

（三）同时投资均衡

同时投资均衡是指博弈双方均愿意在某同一随机整体性需求冲击到达时实施投资，因双方的最优同时投资门槛值不相同，要实现双方同时投资，必然有一方是在满足一定条件下的最优策略。因只要有同时投资均衡产生，其唯一投资门槛值必定是④，并满足两个条件：（1）当时因（2）必须小于即如果优势企业已在上开始投资，劣势企业会发现立即投资比继续等待更有利可图。此时已过，不必等待。

而对条件（2），则有：

图3　同时投资均衡

（其中：K=0.05,r=0.05,α=0.02,σ=0.1, I=100,D00=0.5,D01=0.1,D10=1.5,D11=1）

综合以上博弈均衡分析，双寡头可再生能源电力企业在并网发电投资时机上的选择将直接影响企业价值，甚至关系到可再生能源发电投资的成败。究其原因，正是电网对不同可再生能源发电及其企业存在着不同偏好即电网收购歧视度（更深层次的原因在于可再生能源发电外部性对电网的不确定影响，由于这已超出本文研究范围，将另行撰文讨论。）所造成的，具体来讲：当电网对可再生能源发电并网的收购歧视度较小时，竞争将出现同时投资均衡；当收购歧视度“不大不小”时，产生占先均衡；当收购歧视度较大时，产生顺序投资均衡。在图1-3中可直观地发现不同均衡情形下，优势企业、劣势企业分别做为领导者、同时投资、立即投资时的价值与它们做为追随者时的价值之差与随机需求冲击的变化关系，帮助理解产生各均衡的内在价值原因。

四、企业价值与电网收购歧视度K

从前面的均衡分析知，两种可再生能源电力的电网收购歧视度将决定双方投资时机博弈的均衡类型，即两临界K值将博弈结果划分为三个区域：同时投资区域、占先区域、顺序投资区域。

当企业处于该区域时，双方价值函数计算如下：

（三）顺序投资区域（K*＜K＜1）

此时，博弈双方的价值函数为：

考察式（31）～（34）中的企业价值表达式，它们均由两部分组成，前面部分表示随机需求冲击首次达到或前双方均等待时的期权价值；后面部分表示优势一方在或处成为领导者而劣势一方成为追随者并于处投资时各自的期望价值。图4表示不同区域（K值不同）中的企业价值变动规律：

在同时投资区域，K的边际增加给优势企业价值带来积极影响，而对劣势企业价值则是消极的，图上反映为V1曲线向上倾斜，V2曲线向下倾斜。在占先区域，双方的价值都随K的增加而增加。究其原因，不断增加的K使得劣势企业成为“越来越弱”的竞争者，意味着劣势企业对优势企业的占先威胁越来越小，导致越来越大。这样，优势企业就会投资得更晚，这对劣势企业是有利的因为它可与优势企业分享更长时间的传统能源电力产品收益。当K超过K*时就来到顺序投资区域，此时，K的增加将使优势企业价值增加而劣势企业价值减小。

图4　企业价值与电网收购歧视度

（其中：Y=5，r=0.05，α=0.02，σ=0.1，I=100，D00=0.5，D01=0.1，D10=1.5，D11=1）

五、结束语

并网难已成为我国当前可再生能源发电的最大瓶颈，为破解此难题，各种强制性、刺激性、激励性政策陆续出台，如可再生能源电力配额制、强制上网制度、大规模推行分布式可再生能源等。但是，应当看到政策的支持需要是全方位的，特别需要从市场参与各方的实际利益诉求出发，去探索、挖掘造成种种瓶颈的机制、配套、体系等方面上的根本性原因，并最终找到有效的破解之道。本文基于再生能源发电并网难现状，将电网对不同可再生能源电力的收购歧视度作为决策变量，构建两种可再生能源电力间的投资时机选择期权博弈模型以揭示其并网发电投资决策特征。以此为基础，进一步的研究可在电网无歧视性收购条件下探究可再生能源并网发电投资决策特征，还可以电网为研究对象，分析其在有、无歧视性收购情形下的“得”与“失”，或者以社会福利为分析视角，揭示社会福利在各种电网收购政策下的变动规律，从而为激励政策提供科学的决策依据和参考。

注释

① 尽管独立的和非歧视性的开放电网是实现电力自由贸易的必要条件，国家对可再生能源发电也做出全额收购的要求，但由于种种原因，非歧视性收购目前困难重重，并网难仍普遍存在。

② 电力产品对消费者而言是无差别的，竞争来源于电网对发电商的不确定性发电需求。

③ 此处用特定企业需求冲击体现双寡头间的非对称性：一是由可再生能源电力不同技术、成本形成特点和不同发展阶段所导致的不同收益水平；二是电网公司由于技术、成本、外部性等原因产生不同的收购歧视度。

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Research on Competitive Grid Connection & Power Generation Decision of Renewable Energy Resources

CAI Qiang WANG Tao LI Le1,2
(1. Sichuan Radio TV University Chengdu 610073 China; 2. University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054 China )

Investment decision about grid-connected renewable energy is not only affected by technology, cost, policy and other uncertain factors, but also greatly influenced by the competitive relation between same and different electric technologies of renewable energy. For two kinds of different electric technologies of renewable energy, the mode of option game in choosing the investment timing shall be constructed and the features of investment decision about grid-connected renewable energy shall be analyzed. The results show that the discrimination of power grid on the acquisition of two kinds of renewable electric power will decide the equilibrium types of duopoly companies of renewable energy in the game of choosing the investment timing. With certain parameters, the discrimination of the acquisition of power grid grows from small to big while the equilibrium types produced in the game are correspondingly the simultaneous investment equilibrium, the preemption equilibrium, and the sequential investment equilibrium.

grid-connected renewable energy; option game; discrimination of the acquisition of power grid; game equilibrium

F062

A [DOI]10.14071/j.1008-8105(2016)03-0035-07

编辑 邓 婧

2015 − 12 − 01

国家自然科学基金项目“可再生能源电价机制形成机理研究”（71473031）.

蔡强（1968− ）男，博士，四川广播电视大学宏观经济与金融研究中心主任、副教授；电子科技大学经济与管理学院硕士生导师；汪涛（1968− ）男，四川广播电视大学副教授；李玏（1986− ）女，四川广播电视大学助理工程师.