生物质发电供应链的完全信息动态博弈分析
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摘要:原材料供应是困扰生物质发电的关键问题之一,生物质发电供应链的特点决定了节点企业的有效合作需要适当的激励措施,本文以秸秆发电为例,对农户、中间收购商和发电厂三方进行了动态价格博弈建模,得出了序贯博弈的纳什均衡,分析了电厂对中间收购商的价格激励效应,并探讨了在政府参与下对均衡结果的影响。
Abstract: Raw material supply is one of the key issues in biomass electricity generation. The characteristics of the biomass supply chain determine that the effective cooperation of enterprises need appropriate incentives. This study proposes a sequential game-theoretic approach to model dynamically of utilizing straw for power generation considering the farmer, intermediate buyer and the developer, and obtains the sequential Nash equilibrium. It analyzes the incentives of the developer to the intermediate buyer, and further more, it talks the impact of Gov. to the equilibrium result.
关键词:生物质发电;供应链合作;博弈分析
Key words: biomass electricity generation;supply chain cooperation;game-theoretic
中图分类号:F224.32 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)19-0041-02
0引言
作为生物质能源技术发展的重点领域之一,生物质发电越来越受到各相关政府和企业的重视,然而在实践中,生物质发电总体进展缓慢。目前不少地区开展的生物质发电项目都出现了不同程度的亏损,中国科学院过程工程研究所林伟刚研究员分析说,“秸秆收购价格过高,原材料供不应求是生物质电厂亏损的主要原因。此外,运输成本过高也是制约生物质发电的另一重要因素”。
生物质发电的原材料主要有秸秆、谷物皮核、树木、垃圾等,秸秆类生物质属于清洁能源,其特点有来源分散,且易腐、易潮、易燃,不易存储和运输;此外替代用途多,导致供应波动大。论文主要以秸秆发电为例进行讨论。
目前国内外学者已从多方面研究了生物质能源的供应问题,文献[1-3]分别对生物质的存储处理、物流、收集模式进行了分析。文献[4]以河南省秸秆利用为例,从农户行为角度来研究生物质发电的利用情况。本文拟采用博弈论方法对生物质发电供应链上游企业的合作供应问题进行定量分析,目前博弈论在电力市场领域得到了广泛应用[5-6],但对生物质发电供应链合作进行分析建模的文献较少,文献[7]以加拿大为例,对生物质发电原料使用过程中的农户、发电厂、用电户进行了博弈建模,并着重对相关的激励政策进行了研究。本文以秸秆发电为例,从不同的研究对象出发,建立了农户、中间收购商和发电厂三方的完全信息动态价格博弈模型,得出了序贯博弈的纳什均衡,分析了电厂对农户和中间收购商的激励效应,并探讨了政府参与对均衡结果的影响。
1博弈模型
1.1问题提出针对以秸秆类生物质进行发电的的企业,原料供应环节主要包括农户,中间收购商,物流服务商,此外,地方政府在生物质发电过程中也扮演了重要的角色。在这一垂直合作中,价格是影响合作最主要的因素,利益是每个节点企业关注的重点核心,原材料收购价格过低,将直接降低农民供应生物质的积极性。原料收购价格过高,也将抬高生物质发电厂的运行成本,为此研究生物质发电原料供应过程的价格激励水平很有必要,在这一指导下可以保证生物质发电过程有条不紊的进行。
1.2 模型描述及符号定义
1.2.1 模型描述及假设本文主要针对生物质发电供应链中的农户-中间商-电厂收购模式,在完全信息动态博弈的理论框架下运用逆向归纳法求解了三方之间的子博弈精炼纳什均衡,因农户的行为具有相似性,假设所有的农户构成一个农户群体,即将问题归结为一对一的博弈模型,发电厂先宣布其价格策略,中间商决定其向农户的收购价格,农户决定供应量,最后分析政府对农户实施激励后,对以上结果的影响及各方的利益变化。此外假设运输过程中生物质的折耗量忽略不计。
1.2.2 符号定义pu:生物质电厂发电后的上网电价(元/MWh);pb:中间商向农户收购生物质的价格(元/ton);pd:电厂向中间商收购生物质的价格(元/ton);(pu>pd>pb)pf:生物质的市场价格(元/ton);Cq:农户供应生物质的单位生产操作成本(元/ton);CD:单位发电过程产生的变动成本(元/ton);Cl:单位运输距离成本(包括燃料等)(元/km);Ct:单位运输时间成本(包括人工、设备维修等)(元/小时);Cs:单位存储成本(元/ton);αb:生物质电厂对中间商的激励参数;αg:政府对农户的激励参数;GD,GB,GF:分别为生物质电厂、中间收购商、农户的利润函数(元); r:生物质秸秆发电的的转换率(MWh/ton);q:生物质的收购数量(ton);
1.3 序贯博弈的纳什均衡
1.3.1 发电厂、中间收购商与农户之间的博弈分析假设农户的成本函数为Cq(q)=1/2Cqq2,当发电厂委托中间收购商收购秸秆时,设由中间收购商负责运输,假设车辆的平均运输时间为T,平均运输距离为L,则生物质运输、存储环节发生的总成本为Y=(ClL+CtT+Cs)*q。设中间商和发电厂承担的存储成本分别为C1、C2,发电厂选择以价格pd向中间商进行收购,收购商决定其对农户的收购价格pb,设有pd= pf(1+αb),如图1。
此时,农户、中间商和发电厂的最优利润函数分别如(1)(2)(3)所示:
maxGF=pbq-Cqq2,其中q?叟0(1)
maxGB=pdq-pbq-(ClL+CtT+C1)q,pd>pb?叟0(2)
maxGD=(pu-CD)rq-pdq-C2q,αb?叟0(3)
按照逆向归纳法,农户决定其最优的生物质秸秆供应数量如(4)所示:q=,pb>00,pb=0(4)
从(4)可看出,农户供应量与收购商价格成正比,与自身成本成反比。当pb=0时,q=0。在q下,收购商的价格反应函数如(5)所示:
p=,αb>-10,其它(5)
从(5)式可以看出,pb*受到pf、αb及收购秸秆时所产生的各项成本的影响,具体来讲,当pf、αb越高时,pb*也越高,而收购成本越高反而会使pb*下降,因而电厂在委托收购商进行生物质收购时必须保证收购商有一定的盈利空间,否则当激励不足以弥补成本时,收购商就不再有积极性进行收购。在确定了q*及pb*后,发电厂的最优价格激励策略如(6)所示: