生物质发电供应链的完全信息动态博弈分析

1、生物质发电供应链的完全信息动态博弈分析    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

2、 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 obtai

3、ns 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:

4、A文章编号:1006-4311(2010)19-0041-020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

5、。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,

6、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1.3 序贯博弈的纳什均衡此时,农户、中间商和发电

7、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,b?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=,b>-10,其它(5)从(5)式可以看出,pb*受到pf、b及收购秸秆时所产生的各项成本的影响,具体来讲,当pf、b越

8、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:=-1,pu>+CD,+CD从(6)式可以看出,电厂对中间收购商的激励参数受pu、中间商的收购成本和自身的收购成本的影响,随着pu和中间收购商成本的上升,就会升高,反之,当电厂自身发电成本和原材料的成本上升时,就会降低。而当pu低于某一水平时,也将会下降到一个很小的数值。通过以上分析,不难得出农户、中间商、电厂三方博弈的均衡解,假设用E*=(,p,

9、q)T表示,则有均衡(7):E*=(,p, q)T=E1,pu>+CDE2,+CD其中:E=pq=-1;E=pq= 至此得出了生物质发电供应链上原材料收购过程中,农户、中间收购商与发电厂三方的子博弈精炼纳什均衡,但生物质供应链存在不稳定性,农户作为生物质原料的供应者往往表现出不合作现象,为此以下引入政府这一参变量进行讨论。maxGF=pbq+gpfq-Cqq2,其中q?叟0(8)由(8)可求出农户的最优供应量如(9)所示:q=,pb>00,pb=0(9)从(9)可以看出,其它因素不变时,g越高,q*将也将会越大。此时,中间商的价格收购策略以及发电厂对中间商的价格激励策略分别如(10

10、)、(11)所示:p=,b>-10,其它(10)=-1,pu>+CD,+CD(11)此时当pu>+CD时的均衡结果如(12)所示:E=(,p,q)T=-1(12)进一步计算比较政府实施激励前后,农户的利润变化,令E=(,p,q)T则E=(,p,q)T=(-g/2,p-3gpf /4,q+gpf /(4 Cq)T,可以看出,政府对农户实施激励后,p,下降了,农户的供应量q上升了。继而分析政府对农户实施激励后各方利益的变化情况,假设激励前各方的利益分别为G,G,G,激励后各方利益分别为G,G,G,通过计算分析可得:G=(pu-CD)r-pf(1+)-C2qG=(pu-CD)r-p

11、f(1+)-C2+(q+)?圯G<>G=pf(1+)-p-(ClL+CtT+C1)qG=pf(1+)-p-(ClL+CtT+C1)+(q+)?圯G<>G=p-Cq qqG=p-Cq q+(q+)?圯G<>从(13)(14)(15)不难看出,政府对农户实施激励后,受惠的不仅仅是农户,中间商和发电厂的利润均有了不同程度的提高,说明政府在生物质发电供应链过程中扮演了重要的角色,政府政策的合理性将直接关系到生物质发电厂企业能否持续、顺利地进行生产。2结论本文针对生物质发电原材料的供应问题,应用博弈论方法分析了生物质发电供应链合作问题,文中将模型归结为一对一博弈,建立

12、了农户、中间商和发电厂三方之间的完全信息动态博弈模型,得出了三方博弈的子博弈精炼纳什均衡,重点分析了发电厂对中间商的激励效应及政府参与后对各方利益的影响,证明了政府在生物质发电供应链中扮演了重要角色。论文可以进一步进行相应的数值分析并展开讨论质量信息不确定下的博弈及委托代理问题,这将是下一步继续研究的问题之一。参考文献:1Silke van Dyken, Bjorn H. Bakken, Hans I. Skjelbred. Linear mixed-integer models for biomass supply chains with transport, storage and pro

13、cessing J.Energy, 35 (2010) 1338-1350.2Athanasios A. Rentizelas , Athanasios J. Tolis, Ilias P. Tatsiopoulos. Logistics issues of biomass: The storage problem and the multi-biomass supply chain J. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (2009) 887-894.3王盛曼.秸杆发电工程技术经济分析D.河北农业大学,2008,(6).4王晓凌.我国生

14、物质能开发利用中的农户行为研究D.中国农业科学院,2009,(6).5Jia, N.X., Yokoyama, R. Profit allocation of independent power producers based on cooperative game theory J. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 25(2003) 633-641.6Hu, Z., Yang, L., Wang, Z., Gan, D., Sun, W., Wang, K. A game-theoretic model for electricity markets with tight capacity constraints J. International Journal of Electrical Power & Energy Systems 30(2008) 207-215.7Fuzhan Nasiri, Georges Zaccour. An exploratory game-theoretic analysis of biomass electricity generation supply chain J. Energy Policy,