能源行业结构转型三方演化博弈分析

徐昕怡，董 雨

（安徽理工大学经济与管理学院，安徽淮南 232001）

能源是人类社会发展的基础，传统能源主要包括煤、原油、天然气，新能源包括核能、风能、水能、太阳能、生物质能等。目前，对于新能源的使用也受到学者关注，Vaclav认为，能源结构转型是新能源在能源消费总量占比的上升，达到5%视为转型的开始，超过50%是转型成功的标志；Bruce注重对能源消费中新技术积累程度的研究，如非常规油气开发技术使美国实现“能源独立”的目标，并成为世界上最大的化石能源生产国。为达到《巴黎协定》设定目标，Méjean 等使用全球综合评估模型ⅠMACLⅠM-R，分析了全球排放峰值日期、能源效率、低碳能源技术可用性等之间的关系。Brown等使用美国能源系统完全集成的工程经济模型，分析了2016—2040 年间美国电力部门在44 Gt CO预算内运营的能力，结果表明，碳税加上强有力的能源效率政策产生的协同效应可满足美国深层脱碳的目标。Kivimaa 等分析了芬兰政策策略中的生物能源选择框架及框架随时间的变化，指出政府干预对能源系统的变化十分重要。吴磊等认为高碳能源结构短期改变不大，在能源峰值到来前，中国应采取以能源安全为核心、兼顾环保的能源转型思路。面对世界经济发展低碳化形势，张所续等表示中国应依托“一带一路”，深化国际合作，促进能源技术创新，引领全球能源转型，构建多元化的能源储备体系。

关于中国能源转型路径的研究，Zhou 等提出了一种基于最终用途技术和能源需求的物理驱动扩散的建模方法，阐明了中国复杂能源消耗的驱动因素及能源政策的含义；Ahmad 等研究发现，中国的能源投资与经济增长之间存在正向双向因果关系，能源投资与污染物排放有负双向因果联系；马丽梅等通过跨国比较与可计算的一般均衡（computable general equilibrium，CGE）模型将能源转型分为三阶段，认为第一阶段应采取“温和”手段，高比例可再生能源发展目标不具可行性。我国能源禀赋是“富煤少油少气”，一些学者针对煤高效清洁利用的关键技术进行分析，结果显示需要发展大幅度一直氮氧化物生成的变革性技术，才能实现常规燃煤污染物的超低排放。郭丕斌等提出“影响因素-动力机制-治理政策”研究框架，识别了社会技术变迁推动能源转型的驱动因子，进而提出了相关治理政策；刘平阔等从能源替代角度思考中国能源转型是否合理，实证了“电能替代”和“多能互补”的科学可行性，发现能源路径转换是非线性的，科技创新、成本、政策支持和产业社会责任等是驱动当前中国能源转型工作的重点；Wu等研究结果显示，产业对政府措施的期望决定是否能推广低碳战略以及推广速度。

综上所述，中国能源禀赋“富煤少油贫气”，现阶段中国能源转型目标是“多能共存”，传统化石能源利用清洁化的发展也应受到重视，然而两者生产的产品是同质的（主要是电力），新能源行业的发展离不开政策支持与引导。目前，能源转型的研究大多集中于宏观层面上，中微观层面上协调新能源与传统能源行业的研究较少。因此，构建“政府-新能源行业-传统能源行业”三方博弈模型，寻求三方长期利益均衡点及影响新能源行业发展的影响因素，为政府引导能源行业结构转型建言献策。

1 三方演化博弈模型

1.1 基本假设

目前能源行业领域中，还是以传统化石能源厂商为主，新能源行业无论在技术上还是规模上都处于初步发展阶段，无法与传统能源行业竞争。但相比于传统化石能源，新能源在环境治理和可持续性发展方面存在巨大优势。同时，发展新能源是未来能源发展趋势和经济新的增长点，初期新能源产业的发展离不开政府参与引导。在保证能源安全的前提下，无法短期内降低化石能源使用量，传统能源行业需向清洁化方向努力。因此，探究政府与新能源、传统能源行业之间相互影响的机制。

假设1 博弈主体政府、新能源行业、传统能源行业三方都是有限理性的，均以自身利益最大化为追求，且具有自主决策权。

假设2 新能源行业与传统能源行业之间的合作可给双方带来更大利益，一是双方产品以电力为主，价格可根据双方成本协商决定；二是能源技术的应用、双方的技术交流可为能源领域技术创新提供土壤。

假设3 在博弈过程中，三方博弈主体都有两种策略。政府选择参与时，政府对新能源行业给予补贴，对传统能源产业征收环境税；政府选择不参与时，政府不干预任何一方，新能源与传统能源行业自由竞争，策略集合为（参与，不参与）。新能源行业选择加大投资新能源技术，积极寻求与传统能源产业合作，促进该产业发展；也可选择按常规独立发展，策略集合为（参与，常规）。传统能源行业亦是如此。

假设4 新能源行业生产过程几乎不损害环境效益，具有良好的公众印象，且发展新能源符合国家能源战略等，当新能源行业选择积极发展时对产业本身会产生一定的正效益。

假设5 政府以社会福利的高低为利益追求，社会福利包括经济增长、就业、环境治理等，当政府参与能源行业结构转型时，会对经济增长速度造成影响，但同时会使政府获得一定的声誉等间接利益。

1.2 损益变量的设定

当政府不参与能源行业结构转型，社会福利为

w

；当政府参与能源行业结构转型时，发展新能源与传统能源清洁化都会增加社会负担，间接影响民生就业等，社会福利影响系数为

β

，同时政府获得的间接利益为

b

。政府根据新能源产业采取不同策略给予不同的补贴，积极发展新能源产业给予的补贴总和为

S

，对常规发展新能源产业给予的补贴总和为

S

；对积极合作研发传统能源产业征收的环境税为

T

，对常规发展传统能源产业征收的环境税为

T

。当传统能源产业常规发展时，政府是否参与能源结构调整会对生态环境造成严重影响使社会福利下降为

c

，新能源产业选择积极合作发展对产业本身有一个正效益

a

。新能源产业和传统能源产业按常规独立发展时的收益分别为

P

，

Q

。若新能源产业和传统能源产业都积极寻求合作共同发展，合作的收益分别为

R

，

R

。当一方单独积极发展，另一方选择常规发展策略，新能源行业所付成本为

C

，获得的收益为

h

；传统能源行业付出的成本

C

，获取的收益为

k

。政府选择参与的比例为

x

，不参与的比例为1-

x

；新能源行业选择积极参与合作发展的比例为

y

，常规发展的比例为1-

y

；传统能源行业选择积极合作发展的比例为

z

，常规发展的比例为1-

z

。

x

,

y

,

z

∈[0, ]1 。根据以上5点假设及损益设定得出政府、新能源行业和传统能源行业三方演化博弈的支付矩阵，如表1，2。

表1 政府参与下新能源行业演化博弈支付矩阵Tab.1 Evolution game payment matrix of new energy industry with government participation

表2 政府不参与下能源行业演化博弈支付矩阵Tab.2 Evolution game payment matrix of new energy industry without government participation

2 模型演化博弈分析

2.1 动态复制方程的构建

同理，可得新能源行业与传统能源行业的动态复制方程，整理后得到三方博弈主体的动态复制方程：

2.2 三方演化路径

图1 政府演化动态趋势Fig.1 Dynamic trend of evolution of government

图2 新能源行业演化动态趋势Fig.2 Dynamic trend of evolution of new energy industry

图3 传统能源行业演化动态趋势Fig.3 Dynamic trend of evolution of traditional energy industry

2.3 系统稳定性

将点

E

(0,0,0)代入式（13）可得到该均衡点所对应的特征值：

λ

=(

β

-1)

w

+

b

-

S

+

T

；

λ

=

h

-

C

+

a

；

λ

=

k

-

C

。将其余7点分别代入式（13），整理后得到各均衡点对应雅克比矩阵的特征值，结果如表3。一般而言，为加快能源结构的转型，政府对消极独立发展的传统能源厂商征收的环境税要多于积极发展寻求合作的厂商，即

T

＜

T

；对常规发展的新能源厂商补贴要少于积极发展的新能源厂商，即

S

＞

S

。同时，新能源产业和传统能源合作的效益应大于各自独立发展带来的效益，而单独研发能源技术在短期内的效益要小于成本的付出，即

R

＞

C

＞

h

+

a

或

R

＞

C

＞

k

。本文模型所设参数较多，为便于确定均衡点的符号，分4种情形对演化稳定策略（ESS）进行讨论，如表4。

表3 各均衡点对应雅克比矩阵的特征值Tab.3 Eigenvalue of Jacobian matrix corresponding to each equilibrium point

表4 系统均衡点稳定性分析Tab.4 Stability analysis of system equilibrium point

情形1 当

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＞0 时，即政府对积极发展的传统能源行业征收的环境税与自身正效应之和大于给予积极合作的新能源企业补贴与社会福利损失。情形2 当

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＜0，

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＞0 时，即政府对积极发展传统能源行业征收的环境税与参与能源行业结构转型的正效应之和不足以弥补给予积极合作发展新能源行业的补贴及社会福利的损失，但大于给予单独发展新能源的补贴与社会福利的损失。情形3 当

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＜0，

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＜0，

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＞0 时，即政府对积极发展传统能源行业征收的环境税与参与能源行业结构转型的正效应之和，无论是新能源采取哪种策略给予的补贴，都小于其补贴与社会福利损失之和；但对于都选择常规发展的传统能源和新能源行业，征收环境税与自身正效应之和大于给出的补贴及社会福利的损失。情形4 当

z

，

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＜0，

T

+

b

-

S

-(1-

β

)

w

＜0 时，即无论新能源和传统能源行业选择积极发展还是常规发展，征收环境税与自身正效应的和都小于给出新能源补贴与社会福利损失的和。自中国进入新经济常态，社会福利的提升相对缓慢，政府参与能源转型中资金补贴调整的频次应高于环境税。本模型中，社会福利的损失程度与参与能源行业结构转型带来的正效益总体上决定政府给予新能源行业的补贴与征收传统能源行业的环境税。假定模型中参数

w

和

b

为定值，环境税

T

，

T

为定值，补贴

S

，

S

逐步提高，则均衡点的稳定性会逐一变成表4中情形1到4的结果：政府由参与到不参与的情况下，能源行业结构转型演化稳定策略的转变。原因是政府提高对新能源行业的补贴超出自身承受能力，在重复博弈中，政府为保证社会福利而一次又一次地降低参与意愿最终趋向于不参与策略。新能源行业与传统能源行业因双方合作利益大于单独发展获取的利益而继续选择合作，情形4中出现的（0,0,0）为演化稳定策略。对于整个系统，政府补贴不是越高越好。表4 中情形2，3，4 中政府参与的鞍点出现，说明政府在能源行业结构转型确实起到促进作用，更为具体的分析将在下节进行。此外，在情况1，2，3中，当条件

S

-

S

+

h

+

a

-

C

＜0，

T

-

T

+

k

-

C

＜0时，即政府给予新能源行业的补贴差额小于其积极研发技术的成本亏损，传统能源行业发展清洁化技术的成本亏损大于减免环境税的差额。则存在点

E

(1,0,0)对应的特征值为非正，但随着时间的变化，这两个条件会发生变化，如新能源的成本下降、政府进一步增加补贴和减免环境税等，使其成本亏损小于补贴差额或政府补贴大于亏损额，则该点不再是ESS，所以情形1 的演化稳定策略是（参与，合作，合作）；情形2，3 的演化稳定策略是（不参与，合作，合作）；情形4的两个稳定演化策略（不参与，单独，单独）与（不参与，合作，合作）。

3 能源结构转型演化博弈的仿真分析

根据构建的能源行业结构转型参与主体行为策略的演化博弈模型分析，使用MATAB2018b对仿真分析参与主体的初始参与比例、政府支持、企业盈利能力等因素对能源行业结构的影响。为便于仿真分析，假设均为量纲一的量，设置初始参数

T

= 18，

T

= 20，

S

= 22，

S

= 20，

R

= 25，

R

= 25，

C

= 25，

C

= 23，

β

= 0.9，

w

= 100，

b

= 18，

h

= 15，

a

= 5，

k

= 18，初始参与比例

x

= 0.50，

y

= 0.50，

z

= 0.50。

3.1 初始参与比例对演化博弈的影响

图4 为改变

y

与

z

、其余参数不变，固定新能源行业与传统能源行业参与能源结构转型初始比例得到的政府参与意愿演化趋势。设置初始参与比例0.75为高比例，0.25为低比例。

图4 政府的演化趋势Fig.4 Evolution trend of government

从图4可看出：无论新能源行业、传统能源行业的初始参与比例处于高比例还是低比例，政府在3种情形下都趋向于参与策略；政府采取参与策略的意愿趋于1 的时间受新能源和传统能源行业初始参与比例的影响，新能源或传统能源行业初始参与比例越高，政府参与意愿所需时间越长。这是因为新能源和传统能源行业表现出高参与比例的合作意愿，政府肯定双方都积极合作后，通过双方参与意愿速率减缓的情况来降低补贴水平，以达到提高自身利益的目的。

图5为改变

x

与

z

的参数、其余参数不变，固定政府与传统能源行业初始参与比例得到的新能源行业参与比例演化趋势。从图5可看出：在双方处于低参与比例状态时，新能源行业的初始参与比例大于0.70才趋于1；当传统能源行业表现出高参与比例时，新能源的初始参与比例超过约0.15，便能使行业演化稳定于参与策略；当政府也表现为高参与意愿时，新能源行业都选择积极参与能源结构转型。图6为改变

x

与

y

的参数、其余参数不变，固定政府与新能源行业初始参与比例得到的传统能源行业参与比例演化趋势。整体比较图5，6可得：传统能源与新能源行业的演化趋势类似，双方处于低初始参与比例时，传统能源行业初始参与比例大于0.60趋于1；随新能源初始参与比例的提高，传统能源行业趋于1的初始参与比例需求也在下降。纵向比较图5，6可得，传统能源相较于新能源受政府的影响较弱，因为传统能源行业无论是技术成熟度还是市场都强于新能源行业，其单位成本和盈利能力是新能源行业不能相比的。

图5 新能源行业的演化趋势Fig.5 Evolution trend of new energy industry

图6 传统能源行业的演化趋势Fig.6 Evolution trend of traditional energy industry

综上可得：新能源与传统能源行业的初始参与比例影响政府选择策略的演化进程速度，但不能决定政府的演化策略；相比于政府初始参与比例，新能源与传统能源行业更受彼此初始参与比例的影响，而新能源行业更受政府部门的影响。

3.2 政策支持对演化博弈的影响

在初始参数基础上，变动政府对积极发展新能源产业的补贴（

S

取值分别为22，25，27，30），得出政府（G）、新能源行业（N）和传统能源行业（T）的策略选择趋势，如图7。

图7 补贴S1的演化趋势Fig.7 Evolutionary trend of subsidy S1

从图7 可发现：

S

存在临界值，在25～27 之间；

S

小趋向于策略均衡点

E

（1,1,1），此时

S

的增加使N，T 收敛于1的速度加快；

S

大于该临界值时，G收敛于0且收敛速度随

S

增大而加快，N，T均收敛于1，最终均衡点趋向于

E

（0,1,1），在此之间N 的收敛速度大于T，T 的收敛速度反而随

S

而下降。由此表明：政府增加对积极发展新能源行业的资金补贴会影响新能源和传统能源的策略选择，对新能源行业的影响高于传统能源行业；但超过临界值时，政府会趋向于不参与，也会降低传统能源行业选择合作策略的速度，从而延长系统中两个行业形成合作局面的时间。原因是政府在给较多资金补贴时，自身期望利益超过了阈值，而新能源资金补贴的“不公平”也会降低对传统能源行业的间接影响力。在初始参数基础上，变动政府对积极发展的传统能源产业环境税（

T

取值分别为12，14，16，18），得出政府（G）、传统能源行业（T）和新能源行业（N）的策略选择趋势，如图8。

图8 环境税T1的演化趋势Fig.8 Evolutionary trend of environmental tax T1

由图8 可发现：N，T 收敛于1 的速度随

T

减小而加快，对于G，

T

存在临界值，为14；

T

＜14 时，G 收敛于1的速度随

T

减小而下降；

T

＞14时，G 收敛于0的速度加快。由此表明，降低传统能源行业环境税有利于加快新能源和传统能源行业的合作速度，但政府征收环境税小于临界值时，会趋于不参与策略。原因在于新能源行业处于初期发展阶段，任何提高自身收益的活动都会参与，当政府降低对传统能源行业的环境税，传统能源行业会表现出高的合作意愿，新能源行业也会跟着提高并最终达成合作，唯一需要考虑的是如何在政府能力承受范围内。在初始参数基础上，逐步增加新能源和传统能源行业的营收

h

或

k

得到新能源行业N 与传统能源行业T的策略选择趋势，如图9，10。

图9 新能源营收h的演化趋势Fig.9 Evolution trend of new energy revenue h

由图9，10 可看出，当

h

或

k

增加时，N，T 收敛于1 的速度加快。由此表明，无论是新能源还是传统能源行业盈利的提高，都能加快彼此合作意愿的速度。在本模型的基础假设下，合作带来比单独发展更高的收益，所以当新能源行业的利润得到提升时，为获得更多的利益，新能源行业还是会积极提高合作意愿，传统能源行业亦是如此。

图10 传统能源营收k的演化趋势Fig.10 Evolution trend of traditional energy revenue k

4 结论与建议

基于以有限理性为前提的三方演化博弈理论，构建政府、新能源行业与传统能源行业三方参与能源结构转型的博弈模型，分析单个主体及三方共同作用的能源行业转型策略选择的演化过程，探究政府、新能源行业与传统能源行业在能源行业结构转型中的策略行为以及其影响因素。结果表明，三方博弈存在演化稳定策略（参与，合作，合作）；单个主体的演化策略受其他两方主体的共同影响，政府参与意愿对新能源行业的影响大于传统能源行业；新能源企业对政府资金补贴更敏感，而过高的补贴对传统能源企业合作意愿的提升起负向作用；在政府承受范围内，降低积极发展传统能源行业的环境税利于加快双方合作进程，提高能源行业盈利能力利于加快能源行业结构转型。依此给出如下政策建议：

1）充分发挥政府的引导作用，合理运用资金补贴和税收政策。对积极发展新能源企业给予资金补贴，对传统能源企业征收环境税或碳税来限制其发展或向清洁化方向转型；但政府的资金补贴存在阈值，超过阈值会延缓能源行业结构转型的进度。因此，在保障社会福利的同时可适当减缓传统能源企业的清洁化发展，加快能源行业结构的转型。

2）完善智能电网的建设，加快能源互联网的发展。能源互联网的核心内涵是实现可再生能源，尤其是分布式可再生能源的大规模利用和共享，其可平抑可再生能源的间歇性、储能与可控负荷等问题。智能电网基础设施的增多可有效改善当前我国新能源利用率较低的局面，利于新能源行业的发展。

3）激励能源企业的技术创新，提高整个能源行业的盈利水平。仿真分析结果表明，新能源和传统能源行业盈利水平的提高可加快彼此合作进程，促进能源行业的转型。当前新能源行业的盈利能力普遍低于传统能源行业，政府在短期内可通过政策支持来促进新能源行业的发展。但长期而言，技术发展和盈利增多才是新能源行业发展的根本保障，当新能源行业的综合盈利能力追上乃至超过传统能源行业时，双方合作的局面自然形成，政府的角色也从干预者转变为监管者，整个能源行业会出现良性循环。