電力行業碳交易和企業策略的實驗研究

魏琦　張兆鈺　王樂樂

摘要：跨期實驗分析了電力市場和碳市場中的領導企業追求利潤最大化時所采用的占優策略，不同電力需求水平對碳市場中許可證交易的影響，以及許可證免費分配時，雙向拍賣機制和經紀人的參與對碳交易的影響。結果表明：領導企業將提高電力價格實現利潤最大化，經紀人的出現將抑制碳市場中的市場勢力，許可證價格與市場勢力和電力需求水平無顯著關系。

關鍵詞：電力市場；碳交易；企業策略；跨期實驗

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2015.11.25

中圖分類號：F272 文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2015）11-0115-04

Abstract：This paper analyzes the leading companies dominant strategy for maximizing profit in the electricitycarbon market， different power demand levels influence on carbon market， and double auction mechanism and the agents participations influence on the carbon market in free distribution of permits by interterm poral experiment. Experimental results show that， the leading firms will maximize profits by increasing the price of electricity， the emergence of agents restrains the market power of emission trading market， license price has no significant relationship with market power and power demand levels.

Key words：power market； carbon emission trading； enterprises strategy； interterm poral experiments

過去40年里碳交易從各種環境管理政策中脫穎而出，成為當前全球削減溫室氣體排放的主要手段。2013年6月以來，我國在北京、天津、上海、重慶、湖北、廣東和深圳7個試點省市相繼啟動碳交易，截至2015年3月31日，累計成交量約2000萬噸，累計成交金額近13億元[1]。電力行業是中國溫室氣體排放的重點行業，2010年CO2排放量占全國排放總量的比重接近40%[2]。2016年全國碳交易市場建立后，電力行業將被整體納入，因此需要深入研究電力行業開展碳交易的核心要素。

1實驗研究文獻綜述

學者們運用實驗經濟學對碳交易效率進行了大量研究。Hahn發現市場勢力存在時，初始許可證分配會影響碳交易效率，擁有市場勢力的企業，其初始許可證分配無論高于還是低于需求量，都會產生交易動機。初始分配偏離需求量的程度越高，實施市場勢力的能力越高[3]。喬志林等采用實驗經濟學方法，比較了排污權交易制度和污染稅制度下的市場效率。結果發現當排放權市場存在壟斷時，市場勢力會影響排放權交易制度的效率，其效率甚至會低于污染稅制度的效率[4]。Godby和Mestelman等的實驗證明許可證儲蓄有助于平抑碳價格波動，當排放量低于預期時，儲蓄未使用的許可證可以避免低價傾銷，當排放量高于預期時，儲蓄的許可證作為供給可以避免價格尖峰[5，6]。隨著實驗研究不斷深入，學者們發現產品市場和碳市場聯系顯著。Carlson提出受氣候異常、經濟周期等因素影響，產品市場中的污染物排放量會出現波動，進而引發碳市場中許可證價格波動[7]。Dormady利用實驗分析了能源市場和碳市場同時拍賣時市場勢力的影響，結果表明領導企業會利用能源市場和碳市場的聯系，在能源市場中減少供給、抬高能源價格，從而減少碳市場中的許可證需求、壓低許可證價格[8]。

電力行業普遍存在大企業，如美國新英格蘭ISO，兩家大企業分別控制了16%和11%的發電能力[9]；中國深圳媽灣電廠發電量占深圳火電發電總量的46%[10]。在許可證免費分配制度下，電力市場中的大企業因排放量高，將會得到較多的許可證，進而成為碳市場中的領導者。基于國內外研究現狀和電力行業特點，設計中國電力行業碳交易機制時需要綜合考慮電力市場與碳市場的關聯性。本次實驗研究3個問題：首先，不同電力需求水平對碳市場中許可證交易的影響；其次，電力市場和碳市場中的領導企業追求利潤最大化時所采用的價格策略；第三，經紀人的參與能否活躍碳市場中的交易。

2實驗設計

本次實驗使用蘇黎世大學開發的z-Tree軟件編寫程序，在蘭州理工大學計算中心進行。60名被試均為蘭州理工大學經濟管理學院研究生。所有被試被隨機分配到3個控制組和3個實驗組。每輪實驗有2期，共進行12輪。實驗中采用實驗幣報價與核算。

21電力市場實驗設計

2015年出臺的《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》明確指出，參與電力市場交易的發電企業上網電價由用戶或售電主體與發電企業通過協商、市場競價等方式自主確定。為體現我國電力體制改革中“有序推進電價改革，理順電價形成機制”的原則，實驗中電力市場采用拍賣方式競價上網。電力市場中共有20臺機組，每臺機組能發電2單位。每臺機組有固定的邊際生產成本，其中10臺機組邊際生產成本較低，為每單位電1實驗幣，另10臺機組邊際生產成本較高，為每單位電2實驗幣。電力市場中有低、中、高3個隨機需求水平。低需求時，電力需求量為20單位，需要10臺機組運行；中需求時，電力需求量為30單位，需要15臺機組運行；高需求時，電力需求量為40單位，需20臺機組全部運行。所有被試都是電力市場中的生產者，每輪實驗開始時將告知被試市場需求水平。電力市場中采用統一密封報價拍賣，并規定最高競拍價為10實驗幣。

22碳交易實驗設計

全球絕大多數的全國性碳交易免費分配許可證，如美國酸雨計劃中免費分配的許可證占總量的972%。故本實驗中碳交易許可證免費分配，同時加入全國性碳市場的3個設計要素：許可證儲蓄、許可證交易、超證排放罰款。根據總量控制目標，本實驗碳市場中設定的CO2排放限量為30單位，因此免費分配的許可證總量為30單位。碳市場中采用雙向拍賣方式交易許可證。電力市場中競價失敗的被試也可以參與碳交易，其行為將類似于經紀人。

每輪實驗代表一個遵守期。每輪實驗末，計算機自動核查被試電力生產中產生的排放量與所持許可證量。實驗中規定生產1單位電力將產生1單位CO2排放，故生產1單位電力須持有1單位許可證。每超證排放1單位，罰款5實驗幣。實驗中被試可以儲蓄許可證。

23實驗分組

實驗中控制組仿真完全競爭市場，所有企業擁有相同的生產能力和許可證數量。實驗組仿真不完全競爭市場，即存在大企業，可以實施市場勢力。依據Hahn的設計，其中2名被試是大企業，八名被試是對價格缺乏影響力的小企業[5]。其中4個小企業各擁有1臺低成本機組，另4個小企業各擁有1臺高成本機組。表1列舉了各組的初始稟賦。

242大企業的價格策略

實驗中為實現利潤最大化，大企業有A型和B型兩種價格策略。

A型價格策略指大企業在電力市場中不與小企業競爭，減少電力供給，但拍賣報價為價格上限，以獲取充分的經濟租。這是因為無論何種需求水平，實驗組中小企業的產量都無法滿足電力市場需求。此策略下，電力市場中統一密封報價確定的成交價為價格上限，小企業即使按邊際成本報價，最終的成交價依然是價格上限，取得生產資格的小企業也會獲得經濟租，因此對小企業來說，只要通過報價競爭獲得生產資格就能實現利潤最大化。

B型價格策略是指大企業在電力市場中降低報價，大量生產，盡可能地減少小企業的生產，排除競爭者，壟斷電力市場，導致碳市場中小企業的許可證過剩，賣出許可證，降低大企業買入許可證的成本，最大化自己的利潤。

3價格策略與價格預期

31占優策略

A型價格策略的成功取決于電力市場需求水平和2個大企業的合謀。電力需求低時，實驗組8個小企業提供8臺機組生產16單位電力，而要滿足剩下的4單位需求，大企業必須參與生產。如果大企業合謀，各提供1臺低成本機組，報價為10實驗幣的價格上限，意味著每個大企業生產2單位電力，生產成本為2實驗幣，利潤為18實驗幣。但是合謀很難實現，因為每個大企業都有強烈的動機背叛合謀。只要背叛合謀的一方報價低于對方001實驗幣，該大企業將獨自生產4單位電力，在999實驗幣的高價下獲得3596的最大利益。

高需求水平時，需要20臺機組全部投入生產才能滿足市場需求，此時所有被試對價格有同樣的影響力，因此每個企業的報價都是價格上限10實驗幣。

中需求水平時，在A型策略下，小企業按邊際成本報價提供8臺機組生產后，還需要大企業提供7臺機組投入生產才能滿足市場需求。此時合謀的困難來自7臺機組的分配，因為將有1家企業比另1家企業多獲得1臺機組的生產能力，從而獲得更高的利潤。但由于每個大企業的最大生產能力是6臺機組，這就意味著兩個大企業不可或缺，否則市場需求將無法滿足，因此即使合謀不能實現，在A型策略下每個企業的報價也是價格上限10實驗幣。

相比A型策略，B型市場勢力策略利潤較低。首先，統一價格拍賣具有非歧視性，因此提升其他企業的成本就意味著提升自己的成本。第二，碳市場中將有企業以經紀人身份參與許可證買賣，即使許可證供給量大于需求量，許可證價格也不會趨于0。大量交易的存在將提升許可證價格，提高大企業在碳市場中購買許可證的支出。綜上分析，A型策略應該為本實驗的占優策略。

32占優策略下的價格預期

第一期電力市場中，低需求時，將可能的罰款作為機會成本考慮后，控制組高成本機組的最低報價為7實驗幣，而低成本機組的報價需低于高成本機組才能取得生產資格，因此低成本機組的最高報價為699實驗幣。中需求時，還需5臺高成本機組投入生產，高成本機組每單位電力生產成本為2實驗幣，為取得生產資格，將可能的罰款作為成本考慮后，最低報價為7實驗幣。高需求時，所有企業都是壟斷者，企業報價為10實驗幣。實驗組中，大企業實行A型策略，各種需求下報價均為10實驗幣。在第二期電力市場中，兩組情況相同，中低需求水平下，因電力生產能力超過需求，所有被試為了避免第二期中電力市場飽和，將在電力市場一期報價并獲得最大生產資格，因此第二期電力市場的報價為0實驗幣。高需求水平下，電力需求高于企業生產能力，因此第二期中的報價為10實驗幣。

在碳市場中，罰款額成為許可證價格的潛在上限，當許可證價格高于5實驗幣時，企業寧可被罰款，故許可證價格在5實驗幣內波動。

4實驗結果

41總體市場結果

從市場總體運行的描述性統計結果來看，在第一期電力市場中，低需求水平下實驗組的市場出清價格低于控制組，說明實驗組的合謀難以達成；在中需求水平下，實驗組的市場出清價格高于控制組，說明實驗組大企業意識到自己的壟斷地位，實行了價格歧視。實驗組和控制組的第二期電力市場出清價格均小于第一期價格，符合同質多物品序貫拍賣實踐中出現的價格向下漂移情況。碳市場中，除了控制組在高需求水平下，第一期的成交均價低于第二期外，其他情況下第二期許可證市場中的成交均價都低于第一期。

根據WILCOXON檢驗結果，控制組和實驗組在3種需求水平下，電力市場的市場出清價和碳市場的許可證均價在01%的顯著性水平下與預測結果一致。曼-惠特尼u統計檢驗進一步對比了實驗組和控制組的結果。比較發現，在電力市場一期，低需求水平下實驗組平均價格明顯低于控制組價格，中需求水平下實驗組平均價格明顯高于控制組價格。進一步驗證了低需求時，在一方背叛就能獨占市場的情況下合謀相當困難，因此A型價格策略很難成功。在高需求時，無論控制組還是實驗組，所有參與者都是壟斷者，因此價格沒有顯著差別。在第二期電力市場中，實驗組和控制組的價格沒有顯著差別，和預期相同。

碳市場中，低需求下控制組每期平均成交量為19筆和16筆，實驗組平均成交12筆和8筆；中需求下控制組平均成交16筆和5筆，實驗組平均成交10筆和6筆，兩組成交量相當。從成交價來看，大量經紀人的參與使得實驗組和控制組的許可證均價都趨近于最高價格5實驗幣，兩組沒有統計上的顯著差異。這說明免費分配許可證時，沒有取得生產資格的被試將以經紀人的身份交易許可證，顯著提高了碳交易效率。

42總回歸分析

表2是電力市場和碳市場的TOBIT回歸結果。使用TOBIT回歸是因為電力市場中的被解釋變量為電力市場出清價格，存在報價上限10實驗幣，碳市場中的被解釋變量為許可證均價，存在報價下限0實驗幣。

電力市場中模型1是評估市場勢力和電力需求水平對價格影響的簡單模型，模型2是評估中低需求水平對市場出清價格影響的分解模型。表2表明，電力市場出清價格的主要影響因素是電力需求。模型2中，中等需求水平下實驗組的市場出清價格系數比控制組高6924%，低需求水平下實驗組的市場出清價格系數比控制組高3137%，表明低需求時合謀不易，實施市場勢力十分困難，這也與預測相符。碳市場的回歸模型表明，許可證價格的變化與市場勢力和電力市場需求水平沒有顯著關系，與描述性統計和WILCOXON檢驗結果一致。這證明了在碳市場中，免費分配許可證導致部分被試行為類似經紀人，增加了市場活躍度，減弱了市場勢力和電力需求對許可證價格的影響。

43個體回歸分析

個體回歸分析使用分位數回歸方法，被解釋變量為被試利潤（見表3）。模型中提供了3種基準分位數。

檢驗結果顯示實驗組小企業利潤對中需求的彈性為負，而小企業利潤對低、高需求水平，大企業利潤對低、中、高3種需求水平，控制組競爭性小企業利潤對中、高需求水平的彈性均為正。由此可見，中需求水平下，大企業不需要合謀就可以實施價格歧視，嚴重損害了小企業的利潤。由低分位點到高分位點，不完全競爭市場中小企業的利潤彈性先下降再上升，大企業彈性呈上升趨勢，而競爭企業在中需求水平下彈性呈上升趨勢，高需求水平下彈性先下降再上升。這意味著不同類型企業的利潤對需求水平的變化反應不同。

比較不完全競爭市場中小企業和競爭市場中小企業利潤在中高需求時的利潤彈性系數，可以看出競爭市場中小企業的彈性系數均高于不完全競爭市場中小企業的彈性系數，說明不完全競爭市場中小企業的利潤受大企業行為影響較大。最低分位數模型中實驗組小企業利潤的彈性系數反映了大企業合謀時的情況，A型價格策略下小企業期待獲取大企業合謀產生的經濟租，但當大企業不合謀時，小企業利潤的彈性系數顯著降低。

5結論和政策建議

本研究通過實驗觀察了一個動態的跨期電力市場-碳市場，實驗中引入了市場勢力、變化的電力需求水平、免費分配許可證、許可證雙向拍賣等，評估了電力市場對碳市場的影響。實驗結果表明：為實現利潤最大化，大企業利用電力市場和碳市場的關聯性，實施價格策略，通過合謀提高電力價格，碳市場中許可證免費分配產生了擁有過剩許可證的企業，它們以經紀人的身份交易許可證，將抑制碳市場中的市場勢力，提高交易效率。同時碳市場中許可證價格與電力需求水平無顯著關系。

根據實驗結果，本文提出兩個政策建議。第一，在電力市場中，電力產品的市場出清價格和企業利潤都與電力需求顯著正相關。在高需求水平下，電力市場中出現供不應求，導致各類企業都以壟斷者身份進行生產決策。因此為了保證碳交易效率，政府應采取措施保證充足的電力產能，如增加電力投資、引入合理的價格機制等。第二，雖然具有市場勢力的領導企業在免費分配方式下獲得了較多的許可證，但經紀人的出現將抑制領導企業實施價格歧視，排放權市場中許可證的交易效率不會損失。因此在發展碳市場時，政府應鼓勵各類交易主體積極參與碳交易。

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（責任編輯：石琳娜）