基于碳减排调度的电力市场锦标博弈与纵向合作模型研究

摘要

可竞争性电力市场环境中，各种市场主体的行为对市场状态和调度结果有明显的影响，因此有必要对如何合理地利用这种影响调整调度结果，从而在其中体现低碳电力调度规则进行研究。另一方面，低碳出力存在电价相对过高、供应稳定性差的特点，以致若没有相关政策的扶持，引进低碳技术的发电商反而会在与边界市场竞争中处于劣势。电网公司有必要在保证自身售电收益的基础上，考虑优先调度这些独立发电商的电量，实现公司利润最大化。因此，在不提供任何减排协调契约下，即当交易双方之间仅仅发生价格转移时，二者都具有参与合作利用低碳电力调度的动机。
　　在限制 CO2排放中安排有效的经济制度，即要按“排放者付费”、“资源有偿使用”原则，建立与市场经济相适应的利益机制，将减排问题由政府行为转变为一种由政府调控与经济利益机制驱动相结合的市场行为和企业行为。本文在低碳电力调度准则下，基于考虑减排技术及其协同效应对终端用户负荷需求的影响与电网公司购电的有限理性学习过程，对减排锦标以及合作减排模式下的电力市场系统动态反应和 CO2减排有效性展开了研究。为此，本文设计了以下主要研究内容：
　　（1）考虑电网公司利用减排锦标机制开发发电侧潜在减排空间，对发电商初始调度禀赋与减排能力等影响因素进行参数定义，构建双寡头发电商参与 CO2减排竞争的最优决策模型。分别求解出不同强势发电商数量时均衡的边际获胜概率及其最优减排努力程度，并对此三种博弈结构下的均衡结果进行了比较分析。将模型拓展到考虑发电商减排决策社会比较的行为经济学模型，并给出了模型的最优解与行为参数之间满足的解析关系；
　　（2）将参与发电商初始市场地位差异作为核心变量，利用行为经济学理论研究了电力市场中异质发电商竞争下的CO2减排锦标博弈问题，先后讨论了不同市场与奖金结构下均衡的边际获胜概率及其最优减排努力程度。从实验经济学角度对理论模型的有效性进行了实验检验，在此基础上将模型拓展到考虑影响发电商减排决策的非金钱因素，如强者失败心理损失与弱者胜利心理收益的减排锦标模型，并给出了模型的最优参数估计与均衡预测值；
　　（3）考虑单电网公司与双发电商所组成的渠道结构，利用随机微分对策理论构建了发电商投资 CO2减排、电网公司投资消纳的优势互补的异质型纵向合作减排的随机微分对策模型。运用最优控制理论分别求得了分散式和集中式决策下均衡的电网公司消纳、发电商减排及其购电电价的期望值和方差、系统最优利润以及分散式决策下最优的减排支付比例，并对此两种决策进行了比较与分析。在此基础上，讨论了利润共享契约下系统增量利润的分配问题；
　　（4）基于减排技术及其协同效应对低碳负荷需求的影响与电网公司购电的有限理性学习过程，建立了发电商采用3种低碳技术组合应用时的纵向合作减排的随机微分对策模型。分别求得了均衡的CO2减排技术投入、稳定的购电电量期望与方差以及Stackelberg博弈下最优的减排支付比例。考察了发电商减排技术的对称性及其应用数量对反馈均衡结果的影响，并将模型拓展到多种减排技术投入下的合作减排模型；
　　通过对上述内容的研究，本文得到的主要结论有：
　　（1）在二人对称减排锦标中，不论强势发电商数量如何，同一情形下参与者最优的边际获胜概率以及均衡的CO2减排量都始终相等，这符合以机会均等为竞争前提条件的原则。但是与两种同质发电商竞争情形相比，作为电网公司对发电商异质性界定的政策响应，强、弱者均会选择降低各自最优的减排水平；与基本模型相比，在广义模型中不同类型发电商的均衡减排努力程度都会提高，且各自增量均与行为参数值正相关。虽然不同同质竞争情形下的最优减排策略存在差异，但是同一种博弈结构时的均衡减排量保持相等。异质发电商竞争下最优减排水平不再恒相等，且也不一定小于同质情形时的均衡值；
　　（2）在三、四人减排锦标赛中，针对不同发电主体构成，增加胜利者奖励数量既不能驱动强者提高也不会迫使弱者降低各自的最优 CO2减排量；无论初始调度禀赋如何，只要实验信息完全公开，所有发电商均存在过度减排投资行为，且在双强者单弱者参与情形下，强势发电商的减排努力水平与获胜者数量正相关关系与标准理论预测相悖；对参数的约束条件显著降低行为经济学模型拟合度，其中广义模型均衡预测最契合检验实验的基本特征，而特定嵌套模型验证理论预测的可行性；
　　（3）分散式决策下，发电商之间的CO2减排竞争强度越大，电网公司没有动力为发电商分担更多的减排成本，可以通过降低对其减排成本的支付比例来抑制发电商之间的减排竞争；而减排竞争强度一定时，电网公司可以利用减排分担率来激励发电商减排支出增加到其所期望的水平；集成式决策下，电网公司的低碳消纳、发电商的减排以及系统利润均与售电边际收益正相关；发电商之间的减排竞争有利于盈利能力强的发电商减排，而不利于盈利能力差的发电商减排；当两个发电商之间在购电边际收益上差异较大，且减排竞争强度较小时，合作博弈有利于提高购电电价，同时发电商和电网公司为获取更高的购电电价所带来的风险增大；
　　（4）对于非合作博弈，电网公司选择性承担发电商的CO2减排费用，且发电商低碳技术应用与电网公司所提供的减排成本分担率正相关；合作博弈下发电商的低碳技术应用量、稳定时的电网公司购电电量期望值与方差均大于 Stackelberg博弈均衡下的相应值，且系统利润具有 Pareto改进；将本文拓展的多种低碳技术组合应用决策模型与单一减排技术下合作减排进行了比较，发现最优的减排技术应用、稳定的购电电量期望与方差以及系统均衡利润都与发电商选择的低碳技术数量及其对低碳负荷需求的影响因子正相关，但是否增加技术投入减排取决于利润增量与产生的固定成本的大小比较。
　　本文的主要特色和创新之处表现在以下三个方面：
　　（1）在低碳电力调度准则下，将发电商通过多种低碳技术组合应用的减排策略视作为整合营销传播的一种方法。考虑 CO2减排技术及其协同效应对低碳负荷需求的影响与电网公司购电的有限理性学习过程，建立了发电商采用3种低碳技术组合应用时的纵向合作减排的随机微分对策模型，并考察了发电商减排技术的对称性及其应用数量对反馈均衡结果的影响；
　　（2）在存在两种不同初始调度禀赋的减排锦标赛中，验证了奖金结构的改变对参与发电商 CO2减排水平影响。如三、四人标准减排锦标条件下，作为大奖金边际增量的理性反应，强者将减少或维持最优减排水平，而弱者将提高或维持均衡减排努力程度，即增加胜者数量既不激励强势发电商提高也不迫使弱势发电商降低各自的减排量；
　　（3）为了解释实验中异质发电商出现的CO2过度减排以及强者均衡行为的背离特征，引入一个考虑参与者社会比较影响效用函数的行为经济学模型。将强势发电商输给弱者和弱势发电商击败强者时的额外效用损失与收益纳入建模，并利用检验实验数据估计出模型的心理参数。对行为无约束条件的广义模型均衡预测最契合实际减排努力程度的变化，而特定嵌套模型则与理论预测相一致。

目录

1 绪 论

1.1 问题的提出

1.2 研究目标、内容及意义

1.3 所采取的研究方案

1.4 本文的特色与创新之处

2 国内外研究现状及发展动态

2.1 电力行业碳减排策略

2.2 低碳电力调度与规划

2.3 发电商与电网公司合作

2.4 低碳渠道建设

2.5 锦标赛机制

2.6 对研究现状的评价与本文研究的出发点

3 双寡头电力市场减排锦标博弈分析①

3.1 引言

3.2 基本模型

3.3 均衡求解与分析

3.4 模型拓展

3.5 数值算例

3.6 小结

4 异质发电商竞争下电力市场减排锦标及其实验检验②

4.1 引言

4.2 理论模型

4.3 非合作Nash均衡策略

4.4 均衡分析

4.5 检验实验设计

4.6 模型拓展

4.7 小结

5 双寡头电力市场纵向合作减排模型研究③

5.1 引言

5.2 模型符号与假设

5.3 分散系统的决策模型

5.4 集成系统的决策模型

5.5 对比与分析

5.6 数值算例

5.7 小结

6 低碳技术组合应用下电力市场纵向合作减排模型研究④

6.1 引言

6.2 模型描述

6.3 Stackelberg主从博弈

6.4 合作博弈

6.5 模型拓展

6.6 小结

7 结论与研究展望

7.1 主要结论

7.2 研究局限与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间主要研究成果

B. 攻读博士学位期间主要研究资助