基于演化博弈的户用光伏整县开发协同机制及仿真_陈娟.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0669-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 基于演化博弈的户用光伏整县开发协同机制及仿真陈娟，高江梅（华北电力大学经济管理系，河北省 保定市 071003）Coordination Mechanism and Simulation of Household Photovoltaic County Development Based on Evolutionary Game CHEN Juan,GAO Jiangmei(Department of Economics and Management,North China Electric Power University,Baoding 071003,Hebei Province,China)1ABSTRACT:At present,it is in the intersection period of the distributed photovoltaic whole county model and the grid parity.The differences in the endowment of light resources and policies in different places indicate that the promotion of household rooftop photovoltaics should not be generalized.Based on the evolutionary game theory,the four-dimensional evolutionary system for the household photovoltaic market of the roof owners,the power grids,the photovoltaic enterprises,and the government under the three policies of installed capacity subsidy,electricity subsidy and grid parity are constructed.By selecting two places to making experiments,the dynamic equilibrium state of the two places under each subsidy policy is simulated,and is Pareto improved based on the game model of the grid parity.The results show that the ideal county-wide equilibrium state of the self-built rooftop photovoltaics can be achieved in areas with abundant lighting resources and low electricity consumption,and it can be accelerated through cost savings,on-grid electricity prices,and residential electricity subsidies;For regions with relatively scarce lighting resources and large electricity consumption,the ideal balance can hardly be achieved under the three types of subsidy policies,and the residents electricity subsidy is an effective tool to achieve Pareto improvement;The PV companies still dominate the competition with the state-owned enterprises,and the government regulation will gradually be replaced by marketization.KEY WORDS:rooftop photovoltaic;whole county model;synergy mechanism;four-dimensional evolutionary game 摘要：目前处于分布式光伏整县模式和平价上网的交汇时期，各地光照资源禀赋及政策等的差异表明户用屋顶光伏整县推进不能一概而论。以演化博弈论为理论基础，构建了装机 基金项目：河北省社会科学基金项目(HB19YJ011)。Project Supported by Social Science Foundation of Hebei Province(HB19YJ011).补贴、电量补贴和平价上网 3 种政策下屋顶所有者、电网、光伏企业、政府的户用光伏市场四维演化系统，以 2 类试点地区为例，对各补贴政策下两地的均衡状态进行动态仿真模拟，并基于平价上网下的博弈模型对两地均衡状态进行“帕累托”改进。结果表明，在光照资源丰富且用电量小的地区能够实现自建屋顶光伏的理想整县均衡状态，且可通过成本节约、上网电价、居民电量补贴加快均衡实现；对光照资源相对匮乏且用电量大的地区而言，3 类补贴政策下均无法实现理想均衡，居民电量补贴是实现其“帕累托”改进的有效工具；光伏企业在与国企的竞争中仍占主导地位，政府监管将逐渐被市场化取代。关键词：屋顶光伏；整县模式；协同机制；四维演化博弈 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0581 0 引言“双碳”目标的提出加快了风电、光伏在能源领域对高碳排放能源的替代1，同时也给大规模项目建成后的新能源消纳带来了新的挑战。2021 年 6月国家能源局综合司下发关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知，整县模式以集约化发展模式代替传统分散模式，是实现“碳达峰、碳中和”与乡村振兴两大国家战略的重要措施。目前，我国分布式光伏应用场景可划分为户用屋顶光伏、工商业屋顶光伏和校园/行政机关屋顶光伏等。户用屋顶光伏(household rooftop photovoltaic，HRP)作为我国分布式光伏的一大亮点，具有规模小、并网简单、见效快等特点，在政策红利的支持下其新增装机容量逐年提升。整县模式的推进将HRP 的开展聚焦到了地区市场层面。截至 2021 年9 月已有 676 个地区被列为整县屋顶分布式光伏开发示范县，光照资源较丰富及以上地区仅占 16.56%670 陈娟等：基于演化博弈的户用光伏整县开发协同机制及仿真 Vol.47 No.2(见附录 A)。已有研究表明，HRP 市场的地区性开展受制于光照资源、经济状况2、安装倾角3和补贴4等的差异性，且在市场化过程中，政府补贴是HRP 在发展中国家扩张的最重要的经济激励措施之一5-6。未来中央政府或将取消补贴7，因此部分地方政府纷纷出台补贴政策以推进整县光伏的实现，同时无地方补贴的地区 HRP 即将进入平价上网阶段。有关 HRP 地区差异因素的研究表明，社会经济和政策因素产生的地区差异比太阳辐照度重要得多8-9。经济相对落后地区市场的高价格敏感性限制了 HRP 的有效扩散10。受地方政策、光照资源、电价及用电量11等的影响，HRP 在各地的整县推进方案不能一概而论。户用屋顶光伏的补贴退坡和市场模式的战略性转变，将整县光伏推进中的关键性痛点从技术层面转移到了市场层面。如何协调市场中各方利益主体间的关系、现行光伏政策下屋顶所有者应采用何种发电方式、国企及央企大规模入市下屋顶光伏应该由谁来建等问题亟待解决12。在分布式光伏多主体投资决策研究领域，博弈论、系统动力学13、决策优化模型14等研究方法已被广泛应用，其中博弈论由来已久且被认为是系统研究市场主体利益关系的有效工具15-17。然而，传统博弈论的研究对象为完全理性的博弈主体，且难以对大规模博弈现象进行有效解释18。演化博弈论克服了以上缺陷，主张主体是有限理性的，认为各主体在多次重复博弈中通过不断调整自身策略来寻求最优均衡，且适用于包含大规模参与人的博弈行为19。文献20基于售电公司和供电公司的双边协商购电合同模型，应用演化博弈论计算用户在有限理性下的套餐选择比例，算例结果证明了该方法的可行性。文献21采用非博弈、传统博弈与演化博弈等不同场景开展对比实验，证明演化博弈方法在平衡微电网运营商与配电网运营商的收益方面具有更好的效果。然而，现有文献大多局限于两方和三方视角，不适用于包含四方主体的 HRP 市场策略均衡的研究。基于此，本文考虑了户用光伏市场中屋顶所有者、电网、光伏企业、政府的市场行为及收益，构建了装机补贴、电量补贴、平价上网下的 3 种演化博弈模型，采用 2 类试点地区的实际数据对各补贴政策下两地的均衡状态进行动态仿真模拟，并对平价上网下的均衡结果进行帕累托改进，以期为 HRP整县模式的地方性落实提供新思路。总的来说，本文的主要贡献在于：1）提出了多情景 HRP 市场四维演化博弈模型，克服了现有研究大多局限于三方视角的缺陷。2）改善了现有四维博弈的演化路径呈现形式，使四方主体意愿变化能够同时进行分析。3）将该模型应用于解决各补贴政策下不同类型地区 HRP 整县均衡的实现问题中，并用算例仿真结果验证了其可行性。1 整县模式下户用屋顶光伏市场概述 以往 HRP 市场中，地方光伏企业几乎承包了从设备供应到安装运维等环节的整条产业链服务，电网主要提供分布式光伏接入等配套服务。整县模式的打包式开发形式吸引了国家电网、国家电投等大型国有能源类企业的入市，在与地方光伏企业形成多元化竞争格局的同时，也使参与主体范围和利益配置机制发生了一定调整。我国碳排放市场正逐渐走向成熟，碳约束将对能源规划、运行产生重要影响，因此，有必要将碳减排收益充分考虑到主体收益函数中，确保利益的完整性。整县模式下 HRP市场四方主体相互关系如图 1 所示。图 1 HRP 市场四维主体的策略选择及相互关系 Fig.1 Strategic choices and interrelationships of four-dimensional subjects in HRP market 1）屋顶所有者。根据安装屋顶光伏的收益和成 本 选 择 以 自 行 投 资 建 设(self-investment and construction，SIC)或 合 同 管 理 模 式(energy performance contracting，EPC)这 2 种方式参与市场。SIC 方式下用户产权明确、自负盈亏，获得电费节省收益、余量上网收益及碳减排收益，但需要支付投资和运维成本；EPC 方式下用户获得电费节省收益和租金，其余收益则由承建方获得。HRP 装机容量一般较小，随着设备不断更新及光伏市场的完善，自建屋顶光伏的安全性和稳定性有所保障。EPC模式下，国企、央企或地方光伏企业租赁屋顶安装光伏项目导致的如屋顶漏水、设备损坏、用户隐私等权责不明确问题，使得租赁双方需要花费较大成本进行沟通协商。根据科斯定理，只有在产权明确第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 671 且交易成本为 0 的情况下，双方才能实现利益最大化的帕累托最优状态。因此，结合安全性和经济性考虑，对 HRP 而言自建屋顶光伏为理想均衡策略。除安装方式外，光伏用户还需选择运行方式，即全额自用、余量上网或全额