基于Cournot模型的电力行业初始碳排放权分配策略研究

2017-03-25赵文会高姣倩宋亚君

软科学 2017年1期

赵文会　高姣倩　宋亚君

摘要：针对具有不同碳排放系数的发电机组，考虑将其分为高排机组和低排机组两类，构建了基于差异化配额分配策略的Cournot博弈模型，并给出其解析解，在此基础上研究各种碳排放权配额分配策略对机组发电量、碳排放量及市场电价的影响情况。分析结果表明，在高排机组严格配额分配的基础上，对低排机组宽松的配额分配策略具有较强的减排激励作用，能够在减少碳排放量的同时更好地保护低排机组进行低碳生产的积极性，促进高排机组进行低碳技术改造。

关键词：碳排放系数；碳排放权；配额分配；Cournot模型

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2017.01.17

中图分类号：F1245；F224 文献标识码：A 文章编号：1001-8409（2017）01-0076-05

Abstract： According to the carbon emissions factors， this paper classifies generator units into two categories， these are high and low emission units. And then， it establishes the Cournot game model based on the allocation policy and gives its analytical solution. Based on these， it analyzes the influence of electricity generation， carbon emissions and market price about different carbon emissions factors. Model analysis results show that， the quota allocation policy focusing on the low emission units has a stronger incentive utility， it would be better to protect low emission units in the promise of reducing emissions and promote the units to carry out low carbon technology transformation.

Key words：carbon emissions factor； carbon emission permit； quota allocation； Cournot model

近年来，温室气体排放导致的全球变暖问题已经在世界范围内引起高度重视。《京都协议》的签订是各国政府努力保护地球以实现可持续发展的标志。为了达到《京都协议》中的减排目标，各国政府纷纷设计和实施碳减排机制，努力减少温室气体排放，缓解大气压力。发达国家所推行的“总量管制与排放交易”则被认为是减少CO2排放，实现低碳发展的有效措施。而碳排放权配额的初始分配是推行该方案的重要前提[1～3]。对于我国而言，电力行业作为国民经济和社会发展过程中最重要的基础能源产业，是主要的碳排放部门，也是碳排放权交易的市场主体。低碳发展已经对电力系统运行和规划的各个方面产生了显著影响。因此，在低碳经济的背景下，电力行业内部如何将初始碳排放权在各发电机组之间进行合理分配显得尤为重要。

目前，已有不少专家和学者针对电力行业的初始碳排放权分配问题进行研究。曾鸣等以传统碳排放权初始分配模型为基础，结合我国电力行业的特点，考虑公平性因素的同时，提出了一种碳排放权可调分配机制，最大限度地削减了市场的作用[4]。而Xie等应用最小二乘法，研究多准则情况下电力行业碳排放权的初始分配问题[5]。Zhou等研究了不同初始碳排放权分配规则下，碳排放权交易所带来的潜在效益和补偿对发电企业的影响情况[6]。李保卫等针对电力跨区输送的碳排放产权界定问题，从公平性角度出发，结合电力系统的传输特性，建立了电力排放区域分摊的碳流追踪模型，算例分析验证了上述方法的正确性和可行性[7]。宋旭东等基于区域比较的初始碳排放权分配机制，构建了低碳电源规划模型，并从低碳政策、低碳技术和低碳市场三个方面分析了低碳因素对电源规划的影响[8]。宋旭东、袁博、Paul等从公平性和效率的角度出发，去探究电力行业的初始碳排放权分配问题[9～11]。齐绍洲等对比分析了目前实践中主要采用的初始碳排放权分配模式的优缺点[12]。王敬敏等利用数据包络分析模型对现有的基于发电绩效的电力行业初始碳排放权分配模式进行评价，并认为该分配方式兼具公平性和有效性[13]。谭忠富等通过构建不同优化目标下的机组组合模型探究初始碳排放权分配对发电权交易的影响程度，并认为适当向高能效机组倾斜的初始碳排放權分配方式将有利于推动发电权交易的进行，同时能够提高大容量机组的利用效率[14]。骆跃军等在对电力行业几种初始碳排放权分配方法进行系统探究的基础上，提出了历史分配法与基准分配法的加权平均分配法，用于保证初始碳排放权分配的相对公平[15]。陈勇等在考虑效益原则、优化电源结构原则以及有利于国家政策实施的基础上，构建了包括机组分配与电厂集团分配的两步骤电力碳排放权初始模型[16]。梅天华等基于加总原理和投票选举机制建立了电力行业的初始碳排放权分配模型，并通过程序公平机制和迭代机制解决了分配的公平性和有效性问题，最后通过算例分析验证了所建模型的正确性[17]。此外，梅天华等又根据“基本共识基础上的折中”理念，将历史排放赤字分摊和总量削减因素纳入到当前初始碳排放权的分配体系，并通过一致性约束建立了考虑历史排放的电力行业初始碳排放权分配模型[18]。上述文献对电力行业的初始碳排放权分配问题做了大量研究，并取得了一定的成果。但是，现有研究并没有考虑到初始碳排放权分配对具有不同碳排放系数的发电机组生产决策的影响情况，更没有考虑到初始配额分配对于降低机组碳排放系数的激励作用。

基于以上分析，本文以减排和激励发电机组降低碳排放系数为目的，考虑在电力市场中仅存在两个竞争的发电机组：发电机组1和发电机组2，并假定发电机组1为高排机组，发电机组2为低排机组。针对具有不同碳排放系数的两个发电机组，引入差异化的碳排放权配额分配策略，构建了基于差异化分配的Cournot博弈模型。

1问题假设与描述

11基本假设

考虑在一个相对独立的电力市场区域中，有两个碳排放系数不同的发电机组同时生产无差异、可替代的电能。假定在该市场区域内，市场出清电价受供需关系的影响，并且随着社会总供给量的不断增加，市场出清价格将逐渐降低，即：

p=α-βQ（1）

其中p表示市场出清电价；α、β分别为逆需求函数的截距和斜率且均大于0；Q为社会总供给量，Q=q1+q2，其中qi（i=1，2）表示第i个机组的发电量。

假设两个发电机组有足够的生产能力，但是单位电能的生产成本和碳排放系数（生产单位电能所产生的碳排放量）不同，碳排放系数大的发电机组称为高排机组，碳排放系数小的发电机组称为低排机组。一般情况下认为，单位电能的生产成本与碳排放系数之间存在负相关性，假设发电机组1为高排机组，单位电能生产成本为c1，碳排放系数为k1；发电机组2为低排机组，单位电能生产成本为c2，碳排放系数为k2，则有c1k2。

此外，由于针对碳减排问题进行技术改造需要一定的时间成本，因此假设在该博弈周期内两个发电机组的单位生产成本和碳排放系数均保持不变。

12初始碳排放权分配

目前，电力行业的初始碳排放权配额分配方式主要有固定价格出售、竞价拍卖和免费分配等[19]。其中免费分配方式又包括历史法和基准法。由于发电机组在正常生产过程中需要排放一定量的CO2，如果在碳排放权交易制度建立初期直接要求发电机组为其碳排放量买单，将导致发电机组生产成本突然增加，从而引起发电机组对碳排放权交易制度的抵制情绪，影响碳排放权交易政策的实施。因此，在碳排放权交易制度建立初期大都采用基于历史碳排放量的免费分配方式。针对当前我国碳排放权交易市场正处于试点阶段，本文主要探讨基于历史碳排放量的电力行业初始碳排放权免费分配方案，并将发电机组在无碳排放权配额约束下的Cournot均衡结果作为基准碳排放量。

在具体分配上采用差异化的初始碳排放权配额分配方案，对于碳排放系数不同的发电机组具有不同的减排要求。碳排放权配额分配量小于基准碳排放量时称为严格配额分配方案；碳排放权配额分配量大于基准碳排放量时称为宽松配额分配方案。发电机组在根据竞争对手的当前发电量，单方面不考虑碳排放权配额约束时基于Cournot模型的最优发电量称为即时均衡产量。此外，假设各发电机组的碳排放权配额是公共信息。

2无碳排放权配额约束时的Cournot模型

在发电机组没有受到碳排放权配额约束时，记为基准策略，用上标N表示。此时，两个发电机组的碳排放量不受约束，发电机组只需要根据自身的成本信息及市场情况进行生产决策，两个发电机组的利润最优化问题可以描述为：

是说当发电机组不受碳排放权配额约束时，高排机组由于具有先天的生产成本优势，其发电量和利润都大于低排机组，而碳排放量也相对较大。这种情况下将导致低排机组的碳减排成本无法有效分摊，进而影响其进行低碳生产的积极性，同时也使高排机组缺乏降低碳排放系数的积极性。

3碳排放权配额约束下的Cournot模型

本节中分析差异化初始碳排放权配额分配策略下双寡头竞争的Cournot均衡情况。当存在初始碳排放权配额约束时，用上标Y表示。此时，两个发电机组的生产决策都将受到初始碳排放权配额的影响，用Gi（i=1，2）表示第i个发电机组的初始碳排放权配额，则两个发电机组的最优决策为：

由此可知，在策略2的配额约束下，高排机组将在基准发电量的基础上通过减少发电量来降低碳排放量，用完所有的碳排放权配额；而低排机组将在基准发电量的基础上通过增加发电量来使自身利润达到最大化，同时碳排放量也会随着发电量的增加而增加，两者的变化率为-12，过多的碳排放权配额将不会用于生产。

比较策略2和基准策略下的均衡结果可知，当针对低排机组实施宽松配额约束，针对高排机组实施严格配额约束时，社会总的发电量和总的碳排放量将减少，市场出清电价将增加。因此，在策略2的配额约束下，国家和政府实施的碳减排控制机制将发挥作用，达到减排的目的。同时给与低排机组宽松的碳排放权配额，以此作为“共同但有区别的责任”的体现以激励低排机组进行低碳生产，同时促进高排机组通过减排技术改造向低排机组转移。

（3）当λ1=0，λ2>0时，记为策略3，用上标Y3表示。此时发电机组1的碳排放量為宽松配额约束，发电机组2的碳排放量为严格配额约束，这意味着发电机组1的初始碳排放权配额大于其即时均衡碳排放量，而发电机组2的初始碳排放权配额小于其基准碳排放量，因此有G1≥k1qY11，0≤G2

由此可知，在策略3的配额约束下，低排机组将在基准发电量的基础上通过减少发电量来降低碳排放量，用完所有的碳排放权配额；而高排机组将在基准发电量的基础上通过增加发电量来提高自身利润，同时碳排放量也会随着发电量的增加而增加，两个机组发电量的变化率为-12。

当针对高排机组实施宽松配额约束，针对低排机组实施严格配额约束时，社会总的发电量将有所减少，市场出清电价将逐渐增加；总的碳排放量情况受碳排放系数的影响，在k1≥2k2时，总的碳排放量将超过未实施碳排放权配额约束时的碳排放量，碳减排控制机制失效，无法达到减排目的；而在k1<2k2时，总的碳排放量将有所减少，国家和政府实施的碳减排控制机制将发挥作用，能够达到减排目的，但是减排效果明显低于策略2中的减排效果。另外，高排机组为了保证自身利润的最大化也不会将过多的碳排放权配额用于生产。

在策略3的碳配额约束下，虽然在k1<2k2时，能够达到减排目的，但是由于低排机组本身碳排放系数小而单位发电成本高，不具有发电成本优势，若再对其进行减排控制，将进一步损害低排机组的利润；同时，给予高排机组宽松的碳排放权配额，相当于变相地保护高排机组，进一步增加高排机组的利润。这将严重打击低排机组进行低碳生产的积极性，无法激励高排机组通过减排技术改造向低排机组转移，反而使低排机组有向高排机组转移的内在动力，形成反向激励。

由此可知，当两个发电机组的碳排放量都为严格配额约束时，两个发电机组都将按给定的初始碳排放权配额进行发电生产，总的发电量减少，市场出清电价上升，市场总的碳排放量为初始碳排放权配额之和。情形1中，在严格控制高排机组碳排放权配额的基础上，要求低排机组承担较小的减排工作，可以达到减少社会总碳排放量的目的。同时，将进一步激发两类发电机组进行低碳改造和低碳生产的积极性。情形2中，在严格控制低排机组碳排放权配额的基础上，要求高排机组承担较小的减排工作，社会总的碳排放量不一定减少，反而将进一步损害低排机组的利润，使低排机组具有向高排机组转移的内在动力，形成反向激励。情形3中，严格控制两个发电机组的碳排放权配额小于其基准碳排量，此时，两个发电机组的发电量和碳排放量都会减少，能够达到减排目的。但是均等比例的配额要求无法体现低排机组的优势，同时由于低排机组的单位发电成本较高，更不利于低排机组的生产发展，因此，无法实现对高排机组的激励作用。

4结论

本文对电力行业初始碳排放权分配策略的研究结果表明，在高排机组严格控制配额分配的基础上，对低排机组宽松的配额分配策略具有更强的减排激励作用，能够在减少总的碳排放量的同时激发低排机组进行低碳生产的积极性，促进高排机组通过减排技术改造向低排机组转移。

上述结论对今后我国电力行业初始碳排放权分配策略的制定及国家碳减排政策的实施具有一定的指导作用。政府在制定碳排放权分配机制时，适当侧重低排机组的差异化初始碳排放权分配策略，在降低碳排放量的同时，更好地激发机组进行减排技术改造的积极性。另外，需要指出的是，本文的研究结论是在假设电力市场中仅存在两个竞争发电机组的情况下得出的；当电力市场环境中存在多个竞争发电机组时，很可能会得到不一样的结论。所以多个竞争发电机组共存情况下的初始碳排放权分配问题将作为后续进一步的研究方向。

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