新能源供给网络合作行为演化机制研究——基于非完全竞争市场下均质价格视角

谌微微，许茂增，邢青松

（重庆交通大学经济与管理学院，重庆 400074）

1 文献综述

《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）的通知》和《汽车产业中长期发展规划》中都明确了我国当前及今后较长一段时间内新能源产业和汽车产业的战略发展方向［1-2］。与此同时，围绕上述政策规划落实，学界和企业界以充电基础设施建设合作机制、政府补贴策略、物理空间优化布局等为切入点，开展了旨在实现新能源稳定可持续供给的广泛而深入的研究。Davis等［3］提出政府对企业的研发补贴可促进新能源汽车产业的发展；Nie等［4］从产业投资中政府角色出发，研究了不同产权结构下新能源市场发展状况，并建立动态博弈模型得出必须引入政府管制机制才能有效避免生态进一步恶化； Guan等［5］引入随机因素，建立新能源汽车市场中政府与消费者间的随机演化博弈模型。针对国内新能源汽车产业及销售推广，谢梦等［6］基于演化博弈和交换期权理论研究，建立不同形式政府补贴对新能源汽车研发投资收益矩阵模型，并对模型进行敏感性分析；高倩等［7］则对政府补贴与新能源汽车企业生产策略建立演化博弈模型，并用仿真展示各参数不同取值对演化结果的影响；而孙红霞等［8］建立政府与车企间的演化博弈模型，重点讨论后补贴时代政府行为中的补贴退坡、检查频率、骗补处罚力度等因素对车企选择生产新能源汽车的影响；在此基础上，赵昕等［9］分别建立政府与传统产业、新能源产业间的博弈模型，探索政府与产业间的竞合关系。将消费者作为研究主体之一，曹国华等［10］构建消费者与政府间的演化博弈模型，分析消费者新能源汽车购买行为与政府补贴激励策略间的互动机制；Tushar等［11］、Chai等［12］则构造了电力供应商与消费者的演化博弈模型，探寻使博弈收敛的平衡点。

上述研究为我国新能源汽车产业的发展提供了富有前瞻性的建议和指导，但在研究的方法论上多基于演化博弈理论，通过考虑政府补贴情况下不同参与主体的行为，构建政府与新能源汽车产业中不同主体如中间生产商、终端消费者间的合作演化博弈，其关注和探讨的重点集中在价格补贴对新能源汽车产业生产和消费的促进作用。不过，价格补贴作为一种扶持和引导的政策手段，其发挥效用最有力的阶段多集中在新能源汽车产业的发展初期［13］，而新能源供给基础设施的完备程度，及供给的可持续稳定性才是决定该产业领域蓬勃成长的关键要因［14］。对此，学界针对充电桩的布局完备性，在考虑不同约束条件下提出相应的优化策略［15-16］，曾鸣等［17-18］研究了新能源电力系统持续稳定供给的关键技术，并构建了该技术支撑下的稳定运行模式。同时，在实践层面，国内以充电桩为代表的充电基础设施建设布局也取得显著成效，据中国充电联盟统计，我国充电桩数量以年增长率124%的速率，从2010年0.11万个增长到2017年12月底的21.4万个，从而有力促进了我国新能源汽车产业的快速发展。然而，上述充电设施在实际使用过程中，由于泛在共识合作机制的缺乏，加之电力供应商、充电桩运营商的个体逐利和机会主义“搭便车”行为，使得充电设施的建设运营出现了局部冗长排队与“死桩”并存的利用率极度不平衡现象。究其原因，一方面，现有电力供给商处于政策配给制下的双寡头非完全市场竞争态势［19］，相关学者对价格机制开放性和灵活性方面的假设研究与此存在相悖之处，使得新能源建设运营相关政策建议的可操作性亟待提升；另一方面，仰赖政府补贴政策的电力供应商和充电桩运营商重建设、轻运营，对当前非完全市场机制下以充电桩为代表的新能源供给可持续发展缺乏动力和长效合作机制。因此，考虑非完全市场寡头竞争态势均质价格下，从微观企业层构建电力供应商和充电运营间的多层有效合作机制，深入分析参与主体的合作行为，以及促使其合作行为向可持续长效供给演化的条件，并探索存在政府调控时的补贴阈值，是实现以充电桩为代表的新能源供给产业可持续均衡运营亟待解决的问题。

鉴于此，本文首先分析以电力供应商和充电桩运营商为主的微观企业层面新能源供给网络的分层拓扑结构及行为特征，构建考虑非完全市场寡头竞争态势均质价格下多参与方的合作演化博弈模型；然后，讨论不同情形下的合作行为机制及演化稳定策略，提出激励电力供应商间可持续长效合作的有效措施，促使其向预定目标演化；进一步，考虑该行业有政府调控下电力供应商和充电运营商间的合作行为及演化机制，探讨以充电桩为代表的新能源供给基础设施建设初期政府应给予的补贴阈值，从而逐步提升能源供给环节的盈利能力，提升以充电桩为代表的新能源供给网络均衡运行效率，促进新能源汽车产业可持续发展。

2 新能源供给网络模型构建

2.1 模型假设

在实际的新能源供给网络中，电力供应商（electricity supplied enterprise，ESEs）通过与各充电桩运营商（charging pile operator，CPOs）进行合作，最终由充电设施（the charging facilities，TCFs）实现电动汽车的能源供给。电动汽车能源供给网络则是由充电桩运营商向电力供应商购买能源，并以此通过充电设施传导至电动汽车，以此实现交通动力电气化。在此网络中，充电桩运营商为了获得能源供应，需要向电力供应商支付电力供应费用，并通过向终端用户（User）提供能源供应服务获取收益。在不改变问题本质的前提下，本研究作出如下假设：

（1）新能源供给属于较为特殊的非完全市场寡头竞争，是关系国计民生的能源计划，政府也参与价格的调控［20］，因此，可假定能源供给价格不受电力供应商间合作的影响。

（2）虽然各地能源供给价格不一，但总体差异较小，且这种差异的存在不会影响合作行为及演化，因此，假定每个电力供应商向充电桩运营商采用相同的收费标准并且提供均质能源供应服务。

（3）通过电力供应商间的有效合作，服务需求满足率提升，逐步提高市场化程度并融合其他增值服务，用户满意度大幅提升，此时，充电桩运营商同等程度提高对终端用户的服务费收费标准。

（4）电力供应商最主要的作用在于为充电桩运营商提供能源供给，主要研究电力供应商间是否合作及合作程度对能源供给网络的演化及稳定策略的影响，为了简化研究，可假定电力供应商自建的充电设施终端单位收益固定。

（5）为终端用户提供能源供给服务是最终目的，需要通过特定传输渠道方可实现，因此假定充电桩运营商分别与所有电力供应商保持连接。

（6）电力供给市场收费依据主要是电力使用量，因此，电力供应商向充电桩运营商收取费用的主要依据亦是电力供给流量。

（7）目前，充电设施可分为交流充电桩、直流充电桩和交直流充电桩3种，为不失一般性，假定每个充电桩运营商都包含有这3种类型充电设施。

依据假设建立新能源供给网络拓扑结构，如图1所示。

图1 新能源供给网络的拓扑结构

为了表述方便，本文的主要变量及含义列表统一如表1所示。

表1 新能源供给网络变量表示及意义

表1 （续）

2.2 电力供应商效用函数

如前所述，我国电力供应商主要有两大集团，虽然下属多个分公司且经营各种业务，但在管理体制及运行机制上仍隶属于国资委，在新能源供给及充电基础设施建设方面有共同特质，仍可以将其看作是利益整体，称为电力供应商联盟；若以企业收入归集属性来进行划分，他们仍是两个独立的利益集团。本文以新能源供给网络为对象，因此，只对涉及电动汽车能源供给的业务进行研究，其他业务暂不纳入研究范围。一方面，电力供应商自建充电设施终端为用户提供能源供给服务；另一方面，作为能源供应商，电力供应商为充电桩运营商提供能源接入服务，并按照能源使用量收取费用。因此，电力供应商的收入Rtotal由电力供应商自建的充电设施终端收益Ruser和充电桩运营商缴费RCPO两部分组成。

依据成本形态分析方法，可将电力供应商的成本分为固定成本和可变成本两部分，分别用CF、CV表示，其中固定成本CF为电力供应商已经投入的基础设施建设成本，可变成本CV将随电力供应商对网络连接管理维护投入力度加大而增加。

2.3 电力供应商效用矩阵

在当前新能源供给服务中，用户获得能源供给服务需向充电桩运营商缴纳充电电费及充电服务费。如前所述，充电桩运营商需要从电力供应商处获取能源并给予电力供应费，因此，电力供应商的收入主要来自充电服务费，且由终端用户实际获取的电力供应量决定。基于此，依据效用函数建立不同策略中电力供应商联盟的效用矩阵，如表2所示，以联盟中两个电力供应商为例，模拟其动态演化博弈过程，以此详细阐述电力供应商联盟基于合作关系的行为演变。

表2 新能源供给网络中电力供应商联盟效用矩阵

在电力供应商联盟的博弈中，对方的行动策略为（参与建设，不参与建设），简记为（T,F）。若选择参与，则代表双方均维护并保证合作渠道畅通；选择不参与，则表示联盟中一方负责双方的渠道畅通。在博弈的基本理论中，处于相互连接的双方，建设成本支出更大的一方在共同利益中的收益也更高；处于联盟中的双方，无论作何选择，假定在某时间节点，处于能源供给网络中的其他主体都不参与联盟的内部竞争，只是静观市场变化走向并为以后的行动进行思考。令电力供应商1一方参与建设时的期望效用为E11，不参与建设时的期望效用为E12，电力供应商1的平均期望效用为；电力供应商2参与建设时的期望效用为E21，不参与建设时的期望效用为E22，电力供应商2的平均期望效用为。根据电力供应商联盟效用矩阵可得：

因此，可得该电力供应商联盟的复制动态方程为：

3 电力供应商联盟演化博弈分析

3.1 电力供应商联盟演化博弈模型

对电力供应商联盟的复制动态方程求导：

3.2 电力供应商联盟演化稳定策略

Frideman［21］认为群体动态均衡点由该系统的雅克比矩阵的局部稳定性得到。上述均衡点中，当且仅当同时满足如下条件时才是系统的演化稳定策略（ESS）：第一，对应的雅克比矩阵的行列式大于零；第二，雅克比矩阵的迹小于零。

电力供应商联盟博弈网络模型的雅克比矩阵如下：

定理2：情形1至情形6的平衡点局部稳定性分析结果见表3所示，并可得如下结论：

表3 新能源供给网络中电力供应商联盟不同情形下均衡点的局部稳定性

分析电力供应商联盟内各决策主体的动态演化博弈过程，如图2所示，X1(0,0)和X4(1,1)是两个演化稳定点，即（F,F）（T,T）；此外，由两个不稳定点X2(1,0)、X3(0,1)和鞍点X5(σ1,σ2)连成的折线为电力供应商联盟收敛于不同状态的临界线，鞍点X5的横纵坐标则是演化路径改变的阈值，即：折线左下方可收敛于X1(0,0)，最终双方都选择不参与建设来达到稳定状态；而折线右上方则收敛于X4(1,1)，最终两方都选择参与建设实现系统稳定。反映到现实中，电力供应商M、N，且在两寡头供应下存在较为明显的实力差距，若实力较强的企业M一直采取不参与建设的消极态度，实力较弱的企业N最终也会不进行建设；反之，如果企业M积极布局充电桩，这为企业N提供了积极的信号，双方共同投入建设，着力解决新能源汽车用户的“里程焦虑症”，在此背景下，企业N也将主动积极推进与企业M的合作。

图2 新能源供给网络中电力供应商联盟演化博弈相位图

尽管充电桩数量迅速增长，但实际利用率较低，规模效应无法凸显，充电服务费对于运营商来说几乎难以收回固定投资，亏损成为整个行业的“常态”。在此情形下，仍有众多投资主体参与到建设中，其根本原因就在于政府给予新能源供给基础设施建设的补贴政策，这也是新能源汽车产业出现发展热潮的原因之一。由此可见，政府对该行业的调控非常必要，并且取得了显著成效。

4 政府调控下的演化分析

由上述分析可知，当电力供应商联盟收敛于X1X2X3X5区域，特别是新能源汽车发展初期，单纯依靠市场手段能源供给企业无法实现盈利时，最终双方都选择不参与建设来达到稳定状态，而新能源供给是较为特殊的非完全市场竞争，是关系国计民生的能源计划，完备的新能源供给网络有利于国家战略的实施［20］，因此，政府可以通过调控手段促进电力供应商联盟合作行为的达成，以更为便利的服务满足终端用户对新能源供给的需求。对于积极投入建设方政府给予相应补贴以示激励，假设补贴值为B，此时电力供应商联盟的效用矩阵如表4所示。

表4 新能源供给网络中政府调控下电力供应商联盟效用矩阵

此时，该系统的动态复制方程为：

此 时， 系 统 的 均 衡 点 为X1(0,0)、X2(1,0)、X3(0,1)、X4(1,1)、X6(σ'1,σ'2)，当且仅当满足以下不等式成立：

在新能源供给网络建设初期，当补贴值不够大，对电力供应商也不能起到激励作用，系统也无法收敛于，使其成为系统唯一的ESS充要条件为：

证明：从表3对平衡点的分析知，（1,1）是系统唯一ESS的充要条件为det＞0且，即：

由表4可知，X1(0,0)是系统的不稳定点，X2(1,0)、X3(0,1)是系统的鞍点，X4(1,1)为系统唯一的ESS，证毕。将此时补贴值B的最小取值称为使电力供应商联盟必定收敛于X4(1,1)的阈值。

我国新能源汽车产业的发展已位于世界前列，这与政府的补贴政策刺激密切相关，财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委等部委连续几年出台新能源汽车推广应用的通知（如财建［2013］551号、财建［2015］134号、财建［2016］958号），明确中央财政的补贴标准，除此之外，各地方政府也根据当地实际情况制定相应财政支持政策。然而，随着技术进步、制造规模化，新能源汽车产业前端的研发、制造等环节补贴退坡已成必然，相关企业也做好了应对措施，但按照目前新能源汽车所处的生命周期成本来看，制造技术及规模还不能完全与市场接轨，退坡后的补贴额度将影响企业下一步的具体研发和生产计划，同时也提高了行业进入壁垒，也在一定程度上限制了产业的快速发展。相较而言，后端的新能源供给基础设施建设速度明显滞后，行业热而基础设施建设投资主体数量少，一方面，技术标准、体系建设等仍在摸索中前进，另一方面，商务模式和服务内容单一，严重制约了其盈利能力、发展能力。面对此种状况，各地方政府也出台了充电桩补贴政策推进其发展，这也使近两年我国新能源汽车市场呈现爆发式增长，但若补贴低于阈值后，投资主体积极性必然下降，从而影响本应先行的能源供给基础设施建设，进而影响新能源汽车产业发展。

5 案例分析

5.1 案例说明

目前，中国电网有限公司（以下简称国家电网）和中国南方电网有限责任公司（以下简称南方电网）是我国提供新能源的两大电力供应集团，国家电网覆盖了包含我国国土面积88%以上的26个省份电力供应系统（其中西藏为独立运营），而南方电网主要负责两广、云贵和海南5省份的电力运行。现阶段，我国充电设施的类型 主要分为交流充电桩、直流充电桩和交直流充电桩3种，对输入电压的要求分别为220 V、220 V和380 V。截至2017年6月，特来电、国家电网、万帮新能源投资集团有限公司、中国普天信息产业股份有限公司、比亚迪股份有限公司、上海上汽安悦充电科技有限公司、南方电网、云杉智慧新能源技术有限公司、珠海驿联新能源汽车有限公司、上海富电科技有限公司等充电桩运营企业共建立充电桩180 684个，其中国家电网和南方电网自建充电桩分别为42 304个、2 118个，辖区中第 种类型充电设施数量及所需平均电功率见表5所示。由电力供应商自建的充电设施终端单位收益=0.50元/kWh,网络初始连接状况下，对充电桩运营商的电力供应流量定价=0.90元 /kWh，双方合作状态下会给用户提供更多服务体验，对充电桩运营商的电力供应流量定价在初始状态上浮30%，即=1.15元 /kWh。

表5 案例电力供应商联盟自建各类充电桩数量及参数

充电桩建设运营主要依靠政府基础设施建设补贴和终端客户的充电服务费，我国各省份对新建充电桩的补贴标准及方式在细微环节上存在一定差异，但整体上体现出高度一致，为不失一般性，取成都市600元/桩的标准进行计算。

将上述数据分别代入电力供应商联盟效用矩阵，并设定初始状态下α、β、δ、θ的取值为0.2，通过初步合作取值上升为0.4，进一步合作后取值可达0.8。建立仿真模型，对该系统的演化博弈过程进行模拟，进一步反映不同初始值点向平衡点演化的轨迹。由于决策主体有限理性的存在，电力供应商联盟初始状态时并不一定会采取最优战略，而是通过观察其他主体的策略来取舍自身是否参与新能源供给网络的建设。从演化仿真结果来看，实力较强的主体的态度对其他参与者影响较大，甚至会改变联盟最终状态的演变方向。如图3所示，当电力供应商1参与建设的概率取值不同，电力供应商2随着时间的推移呈现出不同的演化结果。从图3（a）、图3（b）中可以看出，当电力供应商1参与建设的概率较高且大于阈值时，电力供应商2经过长期演化，最终也会积极参与到新能源供给网络的建设与拓展；而图3（c）表明，当电力供应商1参与建设的概率小于阈值时，电力供应商1随着时间推移进行建设的可能性越低，而电力供应商2在演化过程中不参与建设的概率逐渐增大；图3（d）中加入了政府补贴，若补贴值大于阈值，电力供应商1演化进程中参与建设的可能性逐渐增大，联盟中的电力供应商2不参与建设的概率呈较小趋势。

图3 案例电力供应商联盟在不同情形下是否参与建设的仿真结果

5.2 基于实例的对策建议

构建新能源供给网络与营造宜居环境密切相关，也是建设“美丽中国”的必然要求，应该采取适当的措施确保各决策主体行为收敛于均衡点（T,T）。为此，基于仿真结果从不同角度进行思考，本文提出对策建议如下：

（1）建立有益的联盟合作机制。电力供应商通过签订联盟协议确立有效的合作机制，为终端用户提供更为稳定可持续的能源供给服务，进一步扩大新能源市场需求，共享产业发展收益；加强交流沟通，减少因信息不对称而造成充电基础设施重复建设，并可提高已有设施的利用效率，避免资源利用不平衡等问题的出现。

（2）构建实时的多方信息交流渠道。建立跨越行政边界及地域管辖的电力供应商及充电桩运营商界限的信息共享渠道，可实现所有充电桩运营商及充电基础设施的实时信息共享功能，包括设备的类型、完好性、使用状态等，能有效改善区域充电基础设施利用率极度不均衡现象，并结合当前高覆盖度的移动支付实现在支付方式、结算等方面的便捷化，提高终端用户的使用便利性，进一步扩大终端用户群体，尽快收回建设投资、实现盈利。

（3）制定合理的政府补贴标准。我国新能源供给网络仍处于建设初期，需要政府给予政策引导及资金支持才能让行业逐渐与市场接轨。政府除对网络运营进行监管外，还应当在此阶段给予网络建设方不低于阈值的补贴，使电力供应商致力于网络建设，提高新能源需求比例，减少传统能源对环境的破坏；但是，补贴标准不宜高于阈值过多，以防止电力供应商、充电桩运营商仅以获取政府补贴而盲目进行网络建设，造成资源的浪费。

6 结论

新能源是国家能源战略的重要内容，其供给网络亦是近几年研究热点。为了更加深入研究新能源供给网络中各决策主体的行为特点，本文通过对非完全竞争市场均质价格条件下新能源供给网络合作行为的演化博弈进行分析，研究了决策主体间的行为策略。研究结果表明，在新能源供给合作网络中，决策主体间通过对其他主体的决策进行预判而作出相应决策，而实力较强一方对其他方的影响尤为显著，甚至可能改变联盟稳定点；在建设中，特别是初期阶段，政府的补贴力度也会影响决策主体的行为，当补贴力度大于阈值时，各方都积极参与网络建设，力求取得更大比重的收益。本文在研究过程中，未考虑峰谷分时电价收费情况对充电设施收益的影响，终端消费者数量上升到一定阶段后将对研究结果产生影响，后期研究可考虑此因素；此外，后期研究也可将换电站及换电服务纳入研究范围。