第26卷 第7期 2017年7月 运 筹 与 管 理 OPERATIONS RESEARCH AND MANAGEMENT SCIENCE Vo1.26.No.7 Ju1.2017 可再生能源价格在寡头竞争市场中的比较 刘层层 , 李南 , 楚永杰 (1.南京航空航天大学经济与管理学院,江苏南京21l106;2.东南大学经济与管理学院,江苏南京21l100) 摘要:在考虑可再生能源发电问歇性和电力企业两阶段决策过程的前提下,建立了度电补贴和配额制下的 电力市场寡头垄断竞争模型并进行了分析。以以色列电力市场的数据进行数值实验,分析了电力企业数量、补贴 价格、可再生能源电力配额、投资费用等关键因素对发电容量投资的影响。考虑到的福利效应,比较了度电补 贴和配额制下电力价格、消费者剩余和社会福利的差异。 关键词:可再生能源发电;间歇性;两阶段决策;发电容量;度电补贴;配额制 中图分类号:F420文章标识码:A文章编号:1007—3221(2017)07.0064—10 doi:10.12005/orms.2017.O163 A Comparison of Renewable Electricity Support Policies Under an Oligopolistic Electricity Market LIU Ceng—ceng ,LI Nan ,CHU Yong.jie。 (1.College of Economics and Management,Na.jing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 2 1 1 1 06, China;2.School ofEconomics and Management,Southeast University,Nanjing 211100,China) Abstract:The premium Feed—in Tarif(FIT)and Renewable Portfolio Standard(RPS)policy provide investors with incentive to participate in the renewable power production.Based on the intermittency of renewable power and a two—stage decision process of generators,we develop an oligopolistic competition model and apply the game theory to get the equilibrium of the power market.With the data of Israel’S power market,we analyze the impact of the number of generators,subsidy price,the proportion of renewable power and the investment cost of renewable technology on the capacity investment of the power market.Considering the welfare effect of the premium FIT and RPS,we compare the electricity price,consumer surplus and social welfare with these two policies. Key words:Renewable energy generation;intermittency;two—stage decision process;capacity investment;FIT;RPS 力企业的合理收益,在竞争性的电力市场中,可再生 0 引言 可再生能源发电是指利用自然界中可以自然再 生、循环利用的资源进行电力生产,很少或者几乎不 会产生对环境有害的排放物。因此可再生能源发电 具有良好的环境效益;同时,由于现有的可再生能源 能源发电可以获得上网电价的优惠或者电价补贴。 依据电价优惠或者补贴的表现形式,可再生能源价 格主要分为固定的上网电价、溢价的上网 电价、配额制、招标电价和绿色电价政 策。其中,应用最为广泛的是市场化程度较高的溢 价的上网电价和配额制。 有关可再生能源的价格国内外已有不少 研究,但主要集中在可再生能源发电项目在相关价 格下的投资经济性评价,以及可再生能源发电 的补贴价格和补贴年限问题¨“ 。在固定的上网 发电技术尚不成熟、设备投入成本大等因素,造成可 再生能源发电的成本非常高。为此,国际社会普遍 采用价格鼓励电力企业利用可再生能源发电。 按照的法规和规定:为保证可再生能源电 收稿13期:2015一I2—09 基金项目:国家自然科学基金资助项目(71273130);南京航空航天大学基本科研业务费项目:不确定环境下我国新能源产业发展战略研究。 作者简介:刘层层(1987.),女,山东泰安人,博士研究生,研究方向:能源投资与评价;李南(1956一),女,重庆人,教授,博士生导师,研 究方向:能源投资与政笨评价,项目管理理论与应用等;楚永杰(1988-),男,山东临沂人,博士研究生,研究方向:机器学习、智能决策分析。 第7期 刘层层,等:可再生能源价格在寡头竞争市场中的比较 65 电价下,可再生能源电力企业不需要参加市场 竞争,按照固定的电价全额收购可再生能源电 力。溢价的上网电价是由固定的上网电价政 策派生出的一种市场化的电价,可再生能源电 力的价格是市场电价和补贴价格之和,即我国现行 的“度电补贴”。配额制则是强制规 定可再生能源的发电配额并核发绿色证书促进可 再生能源电力企业参与市场竞争。从实施效果上 看,固定的上网电价及其派生出的溢价的上网电价 是对可再生能源发电刺激力度最大、最有效的 价格。随着可再生能源发电成本的下降和电 力市场发电侧的竞争加剧,可再生能源电力将逐步 成为传统能源发电的主要竞争对象,的规制者 也将倾向于采取更为市场化的度电补贴或者配额 制以促进可再生能源发电竞争力的提升。 可再生能源发电具有间歇性。可再生能源发 电主要利用太阳能、风能等间歇性的自然资源,受 气候和天气等因素的影响,其产生的电力会呈现间 歇性的波动。为应对可再生能源发电的间歇性,电 网企业的一般做法是利用传统能源电力中和这种 波动之后再传输给最终用户。伴随着可再生能源 发电的广泛推广,学术界对可再生能源发电间歇性 的研究也逐步受到重视,但主要集中在工程领域。 在电力市场的发电侧,Cedric等在研究电力投资计 划问题时认为间歇性的可再生能源电力是不可调 度的并且受装机载荷E 5],Richard和Nicholas 则利用风力发电的实际数据研究了间歇性的风电 对均衡电价的影响 ,Chao通过对可再生能源发 电间歇性的数学建模研究了风力发电在事前和实 时定价机制下的投资问题 。 由于电力生产的规模密集型和资金密集型等 特征以及消费者电力需求的弹性约束,使得实际运 营中的电力市场与多寡头竞争的市场结构更为接 近 。在此类市场中,由于发电投资的长期不可 逆性,电力企业的投资决策是一个从资本市场到发 电市场的两阶段的决策过程:第一阶段,通过对竞 争对手投资行为的预测确定其发电容量;第二阶 段,通过对市场需求和其他电力企业电力产出的预 测进行电力产出决策。Murphy和Smeers将电力企 业的这种决策特点定义为电力企业的长期与短期 决策,并通过对电力企业上述两阶段决策过程的模 拟,研究了期货市场对寡头垄断电力市场均衡的影 响 。Tishler A和Milstein I借鉴Murphy和 Smeers的研究,通过拓展模型进行了一系列的研 究:在制定价格上限的情况下,Tishler A.分析了电 力价格波动、电价水平、发电容量投资和电力供给 之间的相互性 to 3;Milstein I对以色列电力市 场的实证研究表明:可再生能源发电的引入加剧了 电力价格的波动… ,并且理性电力企业追求利润 最大化的行为会带来电力供给的短缺¨ 。但 充分发挥价格的杠杆作用以促进可再生能源 发电的背景下,上述研究忽略了可再生能源价格政 策的效应。 根据以上研究背景,基于可再生能源发电的间 歇性特征和电力企业的决策特点,分别建立了度电 补贴和配额制下电力企业的发电容量投资决 策模型,并讨论了其均衡解的存在情况。模型充分 反映了可再生能源发电的实际和电力企业两阶段 的投资决策过程。利用以色列电力市场的数据,在 数值实验中分析了电力企业数量、补贴价格、可再 生能源配额和绿色证书价格的变动在两种下 对电力市场发电容量投资的影响。为对比两种政 策的福利效应,在达到相同的可再生能源投资目标 下,分析了度电补贴和配额制下电力价格、消 费者剩余和社会福利的差异。另外,度电补贴 自2013年在我国电力市场实施以来对可再生能源 发电的推广应用取得了显著效果,同时,我国新一 轮的电力改革要求售电侧与发电侧充分市场化,并 将于近期推出全国范围内的配额制。因此,相 关的分析结果对于新电改后的我国电力市场也有 一定参考意义。 1 问题描述和模型 1.1问题描述 考虑一个由Ⅳ个传统能源电力企业和 个可 再生能源电力企业组成的寡头垄断电力市场。可 再生能源电力企业主要利用太阳能、风能等间歇性 的能源发电。面对电力市场需求的变动和竞争者 的投资行为,电力企业面临一个两阶段的决策过 程:第一阶段,确定投资容量;第二阶段,确定电力 产出。在度电补贴和配额制的规制下,传统能 源电力企业和可再生能源电力企业面l临的问题为: 在考虑度电补贴或者绿色证书价格和可再生能源 配额的基础上,如何进行电力产出和发电容量投资 的决策,从而实现利润最大化。 66 1.2模型说明 运 筹 与 管 理 2017年第26卷 做出电力产出决策。 1.3 度电补贴下电力企业的决策模型 度电补贴是由固定的上网电价衍生 出的一种市场化的可再生能源价格。在此政 策下,可再生能源电力同传统能源电力一起参与市 为了清楚地说明模型,本文将作如下的符号说 明和假设。 (1)本文的模型符号 P电力的市场价格;Q电力产出; 传统能源 电力的单位运营费用;t可再生能源电力的单位补 贴价格;W绿色证书交易价格;k (k )传统能源(可 再生能源)电力的单位投资费用;Y i=1,2,…, 场竞争,按照可再生能源电力单位发电量的补 贴标准支付给可再生能源电力企业相应的补贴资 金。结合电力企业的决策特点,在度电补贴 下,可再生能源电力企业与传统能源电力企业形成 Ⅳ)传统能源电力企业的电力产出;), (J=1,2,…, )可再生能源电力企业的电力产出; i=1,2, …,Ⅳ)传统能源电力企业的发电容量; R(J=1,2, …, )可再生能源电力企业的发电容量。 (2)本文的假设 假设1 电力企业面对的市场需求具有随机 性。依据Murphy和Smeers的研究 ,当电力需求 不确定时,市场需求函数的表达为P=n—bQ+s, N M 其中Q=∑Y‘ 1  +∑ R。s为随机变量,J=I 表示电力 需求的随机波动 )为其密度函数。参数o,b为 大于零的常数。 假设2 电力企业之间的竞争服从多寡头古 诺竞争。电力生产的规模密集性、资金密集性和电 力需求的弹性约束导致了电力市场的寡头垄断。 电力企业通过控制电力产出和投资容量实现利润 最大化的过程表明电力企业之间的竞争服从多寡 头古诺竞争。传统能源电力企业和可再生能源电 力企业垄断了电力的生产,尽管采用的发电技术不 同导致生产成本与投资成本存在差异,但是其产品 是同质的,任何一家企业的活动都会引起其他 企业快速而有力的反应。 假设3 可再生能源电力的单位运营费用为 零。由于可再生能源电力企业主要利用太阳能、风 能等可再生能源发电,系统易于维护,因此运营费 用可以忽略不计。 假设4 k <k 。可再生能源电力初期高额的 投资费用导致它的发电成本远高于传统能源,这也 是对其补贴的主要原因之一。 假设5 电力企业的决策过程是一个两阶段 的博弈。电力企业之间的竞争是一个从资本市场 到发电市场的两阶段的竞争过程,其决策过程可以 划分为两个相互联系的阶段:第一阶段,电力企业 做出发电容量的竞争性投资决策;第二阶段,受市 场需求的随机波动和发电容量的,电力企业需 了一个的两阶段的博弈过程。为分析电力企业在 各个阶段的决策,建立了度电补贴下电力企业 的两阶段决策模型并将采用逆向递推法求解。 1.3.1 第二阶段的电力产出决策 电力企业的发电容量投资具有长期性,一旦确 定,短时间内不会改变。受此,电力企业在第 二阶段的目标则是通过确定电力产出实现运营利 润的最大化。 在既定的发电容量下,传统能源电力企业i的 运营利润为7r ( T),是电力企业的售电收入与营 业费用之差。因此,传统能源电力企业可以利用以 下最优化模型确定其最优的电力产出决策: ax 7r T my T):(p— )yri ,rs.t.Y Y >-0,i=1,2,…,Ⅳ (1a) 由于可再生能源电力企业主要利用太阳能和 风能等间歇性的能源发电,受天气和气候等引发的 随机故障的影响,机组的可用产能具有随机性。依 据Chao的研究 ,间歇性能源发电的可用容量 和投资容量之间的随机性可定义为 = J0 l ( )dx,其中, ( )表示单位发电容量的可利 用率,是一个位于0和1之间的无量纲的随机变 量,并且E( ( ))=r 。根据假设3,可再生能源 电力企业 的最优电力产出决策可通过求解以下 最优化模型确定: max 7r (), )=(P+t)y R ,} s.t.yR,s =E{ ( )dx} yR 0, =1,2,…,M (1b) 通过求解模型(1a)和(1b),可得出定理1。 定理1在发电技术差异的寡头竞争电力市 场中,电力企业第二阶段的博弈模型存在唯一最优 解,具体情形如下: 第7期 刘层层,等:可再生能源价格在寡头竞争市场中的比较 67 情形(1)当EI x;I< T时, (赫嵩,0), (E{ - R},0), 一口一 s占<b(M+1)E{ - R}一口+t b(M+1)E{ }一口一£ s<bME{ -』R}+VT一0 (嘲, (E{ }, ), D bME }十I)T一Ⅱ 8<b(N+1) +bME{引+UT—n 等 ), 6(N+1) +bMEI }+ 一n 情形(2)当 T ≤ { }< + D 时, ( ,10), 一a—t<8<(M+I) +胁一0 a+s+Nv +(N+1)t a+s一(M+1) 一Mt、 b(盯+N+1) ’ b(M+N+1) (M+1)v +Mt一Ⅱ s<6(M+Ⅳ+1)EI ̄R}一Nv 一(Ⅳ+1)t一0 孔 (El -R}, ), 情形(3)当Et - R}≥ + D ,, b(M+N+1)El x ̄}.Nv 一(』v+1)卜Ⅱ <6(Ⅳ+1) +bMEtx' ̄}+ 一0 8 6(Ⅳ+1 x +bME ̄xR}+口 时, n—tss<(M+1) + 一0 ( ,'o), 一o+s+Nv +(』v 4-1)t a+s~(M 4-1)t) 一Mt、 6( +N+1) ’ 6(M+N+1) 0一bNx +8+t 、 ,(M+1 v +Mt一口 s<b(M+N+1 x +(肘+1 v +Mt一0 6(M+N+1) T+(M+1) +Mt一口 s<bNx +b(M+1)E ̄x R}一0一t e>_【— — 一,xi 、J,  (El },xr), 由定理1可知:根据可再生能源电力企业可用 发电容量的大小,电力企业在第二阶段的均衡电力 产出分为三种情况。伴随电力随机需求的增加,两 类电力企业的产能利用率逐渐增加最终达到 100%;可再生能源电力企业的可用发电容量越小, 其利用率越高;对可再生能源电力的补贴越 高,可再生能源电力企业的电力产出越多。 bNx +b(M+1)E{ -R}一Ⅱ一t m E, [ ( )]:J, Rl R )f(e)de一 =1,…,M (2b) 其中, 和 分别表示 的上界和下界。 由于.厂(s)表示一个任意的关于s的密度函 数,当求解(2a)和(2b)关于 。和 的一阶导数 为0时,很难给出电力企业最优发电容量的解析 解。为了便于比较的实施效果,本文遵循 Murphy和Smeers的研究 ,定义随机的电力需求 是对称的,且在区间[ , ]上服从均匀分布。通过 1.3.2 第一阶段的发电容量投资决策 根据假设5,电力企业可以根据其在第二阶段 的预期运营利润和电力产出确定其发电容量投资。 在既定的单位投资费用k (k )和预期电力产出 y ’(y,R)下,电力企业的净利润为运营利润减去投资 对(2a)和(2b)的求解,得出定理2。 定理2 令A=/3+a+ +(Ⅳ+1)t,C= 2 (卢一 ),D= ̄/2( /r )( 一 ),电力企业在 第一阶段如果存在唯一的最优发电容量投资,则服 从以下两种情况: 费用。传统能源电力企业i和可再生能源电力企 业 可分别通过求解以下优化模型得到最优发电 容量的投资决策: (1)当[( +1)( +t)一A]。一[N(v +t)+c]。 m a x E[ ]: ),(s) ,…,』v(2a)(.7v+1)[D2_Cz]时,EIx-; j: (M+1)A+ⅣC—H b[(M+1) +Ⅳ]’ 68 运 筹 与 管 理 2017年第26卷 一!丝± ± 2 =(丝± 2(丝± ± 2 二[(丝± 2:± I( ± 2( :±!!±丝 b[(M 4-1) 4-N](N+I) ‘ 其中, 最优 日: [(M+1)A+NC]。一[(M+1) +J7v][A 一?v(Ⅳ+1)( +£) +Ⅳc 一 +iI) 2] 企业的最优发电容量存在两种可能。 此处的最优发电容量与定理I中情形(1)的 ()篙 当[( M相 +)1 (口 +)t A一 ] …  一[(口 +)t  +N 。 (i)当Ⅳ… 帅 }= b L ( M I+ 一  ‘J ;2一一C] >(N+1)[D 一C ]时,根据电力企业的数量, [( ± 2:二 3[ 二! ± !! :± !二 3二丝[(丝± 2 ± 3±丝 b(N+1)[(M+1) 一Ⅳ 1 ‘ 其中, ,:√[(M+1)A+NC] 一[(M+1) 一Ⅳ ][A +NC 一(N+1)D ] 帅{ ; (ii)当.)\7洲Mr 极性并促使传统能源电力企业降低发电成本。由 于绿色证书的引入,电力企业每生产一定数量的可 再生能源电力便会得到权威机构颁发的一份 绿色证书,则可再生能源电力企业的销售收入将来 自售电收入和绿色证书交易两部分。同时,所有电 Xi ————— 力产出相对应。 [A—N( +t)] 一[c+N( +t)1 一 fc 一D ] 丽r——一。 此处的最优解与定理l中情形(2)的最优电 (3)与定理1中情形(3)相对应的电力企业在 力企业必须根据自己的电力产出购买相应数量的 绿色证书以达到的配额。当绿色证书的交易 第一阶段的最优发电容量不存在。 定理2说明电力企业在第一阶段的均衡发电 容量会导致其在第二阶段形如情形(1)和情形(2) 的电力产出。但对应于情形(3)的最优发电容量 是不存在的。情形(3)与电力市场实践中传统能 源电力企业处于满负荷运转而可再生能源电力企 业处于非满负荷运行的情景相符。据此可以判定 价格为W时,在配额制下,可再生能源电力企 业和传统能源电力企业第二阶段需要解决的最优 化问题分别为: mex7r ( ):(n一6Q+ +彬) 一 巧‘ y E -R} R≥0,在度电补偿的激励下,符合情形(3)的电力企 业的发电容量投资不是最优的。 1.4配额制下电力企业的决策模型 本部分主要尝试建立配额制下电力企业 的两阶段决策模型。设在配额制下,规定 的可再生能源电力的配额为 (0< <1),即 ,J=I,…, (3a) ma x万 T T)=(0—6Q+s一 )y,T一+wy7 ’i y T Y 0,i:1,…,Ⅳ (3b) 通过求解模型(3a)和(3b),得到定理3。 定理3在配额制下,电力企业在第二阶 ∑ /(∑ R+∑), ’): 。单纯依靠的强 制配额,难以解决电力企业的积极性问题。通过引 入绿色证书交易,可再生能源配额与绿色证书的交 段的竞争过程中存在唯一的最优电力产出,具体的 情形如下: r 情形(1),当E{ }≤ 时, 互作用,可以有效地提高可再生能源电力企业的积 ( _= (E{ },o), ( { },兰_= 兰 =_ ),,。), 一n一(1-咖) <s≤6( +1)E{ }一口一(】一咖) b(M+1) { }一口一(1一 ) < s6伽{ }+p + 彬一n 6MFt ̄:t+ r+ w-a<6<_b(Ⅳ+1) +6MEI ̄n}+ + r一。 >6(Ⅳ+1) +bME{x ̄}+咖 + 一Ⅱ (E{ }, ), 情形f2),当 O < + 0 时 第7期 刘层层,等:可再生能源价格在寡头竞争市场中的比较 69 ( ,。), 一n一(1一 ) <ss(^f+1) r+(』If+‘}) 一n ( ! ,! ! : ),(肘+1) r+( + )w-a<8 ̄b(M+N+I)E{ }_Nr r_(』v+1一 ) 一。 孔 ) bIM+N+I/EI ̄t一 一(Ⅳ+l一 ) 一口<g 6( +1) +6枷} }+批r+P 一。 (E , ), 8>6(Ⅳ+1) +6删 }+l6llJ+ 一Ⅱ 情形(3),当E{ }> T华时, .0一(1一 )tfI<E-(M+I)v +(肘+ )tlJ一0 ,a+s+ +(N+l一(6) a+s一(M+1) 一(M+(6)"、 6f盯+Ⅳ+1) ’ 6(吖+Ⅳ+1) (肼+1) r+(jIf+ ) 一0< 6(M+Ⅳ+1) +(M+1) r+(M+ )甜一吐 b(M+N+1)xir+(M+1)v +(肼+ ) 一口< 6(Ⅳ+1) +bNx ̄一(1一 ) 一。 s>6(M+1)E +bNx ̄一(1一 )!lj吨 (由定理1同理可推出定理3) 通过绿色证书交易,可再生能源配额的实施主 ma xj E[ ( )]:f, Rl yJR”)f(8)d8一 i=1,…,M(4b) 要作用于发电市场。与定理1的结果对比可以发 按照电力需求的波动在区间[ , ]上服从均 现,可再生能源配额和绿色证书的价格不仅影响了 匀分布的定义,通过对问题(4a)和(4b)的求解,得 电力企业的电力产出,在市场需求的随机波动中也 出定理4。 有体现。而在资本市场上,受y 和), 的影响, 定理4令E=卢+ +(1一咖)W+N(12 +W), 配额制的实施也间接影响了发电容量的投资。那 c= ̄/2 (卢一 ),D= (ks/'rj)(卢一 ),在配额 么,依据预期的,, 和y ,电力企业在第一阶段 制下,电力企业在第一阶段的发电容量存在唯 的最优化问题为: 一最优解,并满足以下情况: .U max E T【 Tf)]=J TIy T”),(s)ds一 i=1,…,N(4a) (1)当[(肘+1)( + )一E] 一[Ⅳ( + )+c] <(Ⅳ+1)(c 一D2)时, { ”}= (M+1)E+NC一., b[(M+1) +Ⅳ]’ r..(M+Ⅳ+1)E一(M+1)(M+Ⅳ+1)C~(N+1)[(M+1) +Ⅳ]+ 一 6(N+1)[(M+1) +Ⅳ] 其中 J=√[(M+1)E+Ⅳc] 一[(肘+I) +Ⅳ][E 一N(N+I)(p +叫) +NC 一(N+1)D ] 此处的最优解与定理3中情形(2)的最优电 量,在配额制下,电力企业的最优发电容量也存在 力产出相对应。 两种情况: (2)当[(M+1)( + )一E] -[N( +W) (i)当N#M+1时,E{ ¨}: (丝±1 2 ± 二 . +C] >(N+1)[c 一D ]时,根据电力企业的数 b[(M+1)] 一N ’ r一一一 [(丝±!!:= :][ 二! ± 2 1 :± 2二 ]二丝[!丝±1 2 ± 3±丝 6(N+1)[(M+1) 一N ] 其中 K: ̄/[(M+1)E+NC] 一[(M+1) ~Ⅳ ][E +NC 一(N+1)D ] (ii _、 帅 ; 力产出相对应。 (3)对应于定理3中情形(3)的电力企业的最 l一[ 二 ± 二[ ± :± 二丝[ : ! 优发电容量不存在。 2b『fM+1)E+NC] (由定理2同理可推出定理4) 此处的最优解与定理3中情形(2)的最优电 定理4说明,在配额制下,对应于定理3 70 运 筹 与 管 理 2017年第26卷 中情形(I)和情形(2)的最优电力产出,电力企业 的发电容量存在唯一最优解,即,电力企业可以在 发电市场和资本市场实现利润的最大化。但对应 于情形(3),电力企业发电容量投资的最优解不存 在。据此可以判断,在配额制下,若传统能源 电力企业处于满负荷运转而可再生能源电力企业 处于非满负荷运转时,电力企业的发电容量投资不 是最优的。 2 数值实验 参考以色列电力市场的运营数据,数值实验部 分对1.3和1.4的模型进行了验证并进而比较了 度电补贴和配额制下发电容量投资、福利效应 的差异。由于以色列的电力市场与美国四大电力 市场(New England,California,PJM,ERCOT)的运营 机制近似,以其为研究对象的结论具有一定的推广 价值。 电力企业的发电容量投资由市场需求参数、费 用参数和市场需求的分布函数决定。参考以色列电 力市场2009年的电力和技术数据,传统能源电力企 业采用联合循环燃气发电(CCGT)技术发电,而可再 生能源电力企业则采用光伏发电技术发电 。相 关的参数如下:a:1394.4,b:218.4, =40,k = 223, =一1500, :5000。由于光伏发电技术的投 资费用一般认为是CCGT发电技术的2倍,假设 ( ( ))= ,=0.8,贝0 / r,=557.5。 2.1 电力市场的发电容量投资分析 2.1.1 电力企业数量对发电容量的影响 2010年,以色列消减了50%的光伏补贴, 上网电价补贴降至0.52美分/kwh。按照以色列 新能源占总能源消耗10%的目标取西=10%, 假设绿色证书交易的价格也为0.52美分/kWh。 取t: =52¥/MWh,在度电补贴和配额制 下,电力市场的投资规模受电力企业数目的影响如 图1所示。定理1~4表明:电力企业的均衡电力 产出和发电容量投资与企业数量密切相关,并不仅 仅是简单的线性数量关系。电力企业数量的变动 在影响电力供给的同时作用于电力需求(由电力 需求函数可知),原有的博弈均衡由于电力市场需 求与供给的重新调节而达到一个新的均衡状态。 而在实际的电力市场中,伴随电力工业市场化改革 的深入,发电侧电力市场的开放性逐步提高,电力 市场的进入障碍减小。在电力企业的成本和电力 需求价格弹性不变的条件下,参与竞争的电力企业 的数目越多,表明市场的开放程度越高。 帏觏I 潭 窀喜量  {烹毫朴蛄,  }再生睦漂鬟盘毒量 { 簋窀外赔)  {母囊l}潭 粤t  i辗辊, ; 弩再生髓滞繁喧辜量 J < 程 ) l 图1 发电容量和电力企业数量关系图 由图1可知,在度电补贴和配额制下,随着 电力企业数目的增大,电力行业的总发电容量逐渐 增加。这主要是因为电力企业数目愈多,电力供给 侧的激烈竞争导致了电力价格下降,从而提高了消 费者的电力需求。但是,当电力企业数目增加时,单 一光伏电力企业和CCGT电力企业的发电容量则有 所下降,并且光伏电力企业发电容量的下降速度远 大于CCGT电力企业发电容量的下降速度。例如, 当M=N:3时,光伏发电的可用发电容量约占 27%,当M=N=10时,光伏发电的可用发电容量则 下降至4%。由此可以推出,在愈加开放的电力市 场中,光伏电力企业越难生存,市场份额越小。因 此,市场开放程度对可再生能源发电具有抑制作用。 2.1.2 可再生能源电力配额对发电容量的影响 分析可再生能源电力配额对发电容量的影响, 以M=N=10,W=t=52时的情形为研究对象, 的取值范围为(0,50%)。在度电补贴和配额制政 策下,伴随 的变化,电力市场的发电容量如表1 所示。当西=0时,度电补贴下的光伏发电容 量、CCGT发电容量和电力行业总发电容量投资与 配额下的结果相同。但随着制定的可再 生能源电力配额的增加,可再生能源与传统能源的 发电容量都逐渐减少,进而整个电力行业总发电容 量也逐渐减少。可见,在配额制下,若绿色证 书的价格固定,强制增加可再生能源电力配额 的措施会导致电力行业的发电容量投资不足,进而 引起电力价格的升高。 伴随可再生能源电力配额的增加,可再生能源 发电容量投资下降的幅度要高于传统能源发电容 量投资下降的幅度。所以,的强制配额对可再 生能源的抑制作用较为明显。因此,应合理设 置可再生能源电力配额,避免因电力行业投资不足 第7期 刘层层,等:可再生能源价格在寡头竞争市场中的比较 71 2.1.3绿色证书价格(补贴价格)对发电容量的影响 52, =10%的情形为研究对象,图3给出了电力 可再生能源发电的补贴价格和绿色证书的价 格,作为鼓励可再生能源电力企业参与市场竞 争的措施,其变动时对市场发电容量的影响如图2 所示。在度电补贴(配额制)下,伴随补贴价 格(绿色证书价格)的增加,可再生能源和电力行 业总发电容量的投资有所增加,传统能源的发电容 量投资则有所下降。可见,可再生能源发电容量投 资的增加幅度超过了传统能源的下降幅度,进而增 加了行业总发电容量。因此,的度电补贴和绿 色交易价格对可再生能源电力企业的激励作用 明显。 另一方面,图2是以W= 的情形为研究对象, 伴随补贴价格的增加,电力行业在配额制下的 总发电容量始终小于其在度电补贴价格下的 发电容量。结合2.1.2结论,此时若强行增加 可再生能源的配额,则电力行业总发电容量又将减 少。只有提升绿色证书的价格才能既满足整个社 会的电力需求又保证可再生能源发电的投资。因 此,若绿色证书的价格定价过低,会影响配额制政 策的效果,也是导致配额制的效果低于上网电 价的主要原因。 20重糜 盛.壤 鹰 霪麈盛 萱 U聃生耩降鬟电拳t t霹i t { 口悔 掉冀电娃 霹靠j 口可 生蟾薄发毫掌_量惺 晚种姑) D 赶艟'景鬟t喜t 童电 {}黏, ; #砧 倍 缘电 书立矗母括 图2发电容量和补贴价格(绿色证书价格)的关系 2.1.4 可再生能源投资费用对发电容量的影响 由于硅材料的应用技术革新,光伏发电成本正 逐步降低。依据国家光伏装备工程技术研究中心 的初步规划:通过技术攻关,预计2018年底,光伏 发电的成本将降低至平价上网水平;2020年底,将 实现光伏发电的廉价上网。在度电补贴和配额制 下,可再生能源投资费用的变动将对电力市场 发电容量的投资产生影响。以M=N=10, =f= 市场的发电容量和可再生能源投资费用的关系图。 其中,光伏发电的单位投资费用从446降至240, 实现了光伏发电由溢价上网到平价上网再到廉价 上网的过程。 由图3可以看出,无论在度电补贴还是配额制 下,光伏发电成本的下降不仅带来了光伏发电 容量投资的增加而且电力行业的总发电容量也有 所增加,同时CCGT技术的发电容量投资下降显 著。可见,可再生能源发电成本的下降在提升行业 总发电容量的同时也降低了电力消费的价格;在市 场力的作用下,传统能源电力企业逐渐失去竞争优 势,市场份额变小。因此,降低发电成本是可再生 能源发电参与市场竞争、提升竞争力的关键。 图3发电答量与司再生能源发电投资费用关系图 2.2的福利效应分析 由2.1部分的数值实验可以看出:当t=叫时, 度电补贴和配额制在激励可再生能源、传 统能源和电力行业总发电容量上的效果接近。 那么,在度电补贴和配额制达到相同的激励可 再生能源投资的基础上,本部分将主要研究两 种的福利效应差异。以M=N=10, =10%, :加∈[37,104]的情形为研究对象,度电补贴和 配额制在电力价格、消费者剩余和社会福利方 面的差异分析结果如下: 2.2.1 电力价格的比较 受市场需求随机波动的影响,电力价格的期望值 ^ E(P)=f[n一6(JJ ]l +J7\7y )+占l 8)de。根据定 理1和定理3中电力企业的电力产出,在度电补贴政 72 运 筹 与 管 理 2017年第26卷 策和配额下,伴随补贴价格(绿色证书价格)的波 动,电力价格期望值的变化情况如图4所示: 图4电力价格在两种F的变动 图4显示,在度电补贴(配额制)下,伴随 补贴价格(绿色证书价格)的增加,电力价格逐渐 下降。说明可再生能源电力单位收益的增加带动 了电力行业整体发电量的提升。然而,配额制 下的电力价格始终高于度电补贴下的电力价 格。因此,当度电补贴和配额制在可再生能源 的投资上达到相同的效果时,配额制的实施会 提升电力的销售价格,与Palmer和Burtraw的研究 结论一致 。 2.2.2 消费者剩余的比较 在配额制下,受电力需求不确定性的影 响,消费者剩余的期望值为:E{CS} = 26f (竺 ) ( )d 。在度电补贴 下,可再生能源电力的补贴主要由财政支出, 源自于电力消费者上缴的税款,比如,在我国主要 源自于消费者上交的可再生能源附加税。因此,在 计算消费者剩余时需要减去可再生能源电力的补 贴。此时,消费者剩余的期望值为:E{CS}= 26f ( ) s)ds一 y 。伴随补贴 价格(绿色证书价格)的增加,消费者剩余的期望 值在度电补贴和配额制下的变动如图5。 图5 消费者剩余在两种下的变动 由图5可以看出,在配额制下,消费者剩 余伴随绿色能源交易价格的增加呈线性缓慢增加; 在度电补贴下,消费者剩余伴随度电补贴价格 的增加呈对数减少。但是,消费者剩余在度电补贴 下的值始终小于其在配额制下的值,并且 补贴价格越高,两者的差距越大。因此,当度电补 贴和配额制在可再生能源投资上达到相同的 效果时,配额制所带来的消费者剩余要高于度 电补贴。 2.2.3社会福利的比较 根据社会福利的定义,结合电力需求的不确定 性,此处社会福利的期望值E{W}=ME{.7『 ( )} +NE{仃 ( )}+E{cJs}。图6比较了社会福利在 配额制和度电补贴下伴随绿色能源交易 价格(补贴价格)的变动情况。通过图6可以发 现:当度电补贴和配额制在可再生能源的投资 上达到相同的效果时,配额制所带来的社会福 利要高于度电补贴,并且伴随绿证书价格的提 高,社会福利在这两种下的差距逐渐增大。 图6社会福利在两种下的变动 3 结论 鉴于可再生能源发电间歇性的特征和电力企 业在市场竞争中两阶段的决策特点,建立了度电补 偿和配额制下寡头竞争的电力市场竞争模型 并得出其两阶段的均衡解。利用以色列电力市场 的数据对本模型进行数值实验发现:在度电补贴和 配额制这两种可再生能源价格下,市场的开放 程度对可再生能源发电均具有抑制作用;降低发电 成本是可再生能源电力参与市场竞争、提升市场竞 争力的关键。 通过对比分析度电补贴和配额制下电力 市场的发电容量投资和的福利效应可以发现: 在度电补贴下,补贴价格在激励可再生能源发 第7期 刘层层,等:可再生能源价格在寡头竞争市场中的比较 2013,61:619-627. 73 电容量投资的同时抑制了传统能源发电容量的投 资,并且其激励作用要高于抑制作用。但在配额制 下,绿色证书与强制配额的相互作用,加 剧了对传统能源发电容量投资的抑制并拉低了整 [5]Tishler A,Milstein I,Woo C K,et a1.Determining opti— mal electricity technology mix with high level of wind power generation[J].Energy Efficiency,2015,6(1): 65-9O. 个电力行业的发电投资规模。在的福利效应 分析中,当度电补贴和配额制对可再生能源的 [6]Green R,Vasilakos N.Market behaviour with large amounts of intermittent generation[J].Energy Policy, 20l0,38(7):3211—3220. 投资达到相同的效果时,配额制所带来的消费 者剩余和社会福利要高于度电补贴,但却会提 [7]Chao H.Efficient pricing and investment in electricity markets with intermittent resources[J].Energy Policy, 高电力销售价格。因此,与度电补贴相比,配 额制避免了面临可再生能源补贴所需承 担的财务负担并创造了更多的消费者剩余和社会 福利,但在实施的过程中,的制定者需要 制定合理的可再生能源配额,避免过度抑制电力行 业的发电投资和电力价格过高而影响经济发展。 参考文献: [1] Jenner S,Groba F,Indvik J.Assessing the strength and effectiveness of renewable electricity feed・in tariffs in European Union countries[J].Energy Policy,2013,52: 385.401. 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