基于需求弹性与博弈论优化的低收入国家微电网市场组织研究：以黎巴嫩为例

《IEEE Transactions on Energy Markets, Policy and Regulation》：Market Organization in Low-Income Countries' Microgrids: Insights from Electricity Demand Elasticity and Game-Theory Optimization. Case Study: Lebanon

本文针对黎巴嫩中央电网崩溃背景下柴油微电网电价失控问题，通过采集Deir Kanoun al Naher地区独特数据集，采用普通最小二乘法(OLS)估计居民用电需求弹性(-0.48)，并构建Stackelberg博弈模型优化微电网所有者定价策略。研究表明，基于弹性认知的提价54%可使收益提升15%，但会抑制25%需求。成果为发展中国家微电网监管政策制定提供量化依据，凸显弱势群体用电权益保护紧迫性。

　　

在黎巴嫩，国家电网数十年来始终无法提供稳定电力供应，近乎完全崩溃。政治动荡、腐败和效率低下被普遍认为是导致这一局面的关键因素。作为直接后果，一个由分布式柴油发电机组成的网络在全国范围内蓬勃发展，成为不稳定中央电网的替代方案。这些柴油发电机公司通常通过并联配电系统为特定社区或村庄的客户供电，将发电和配电置于私人控制之下，形成了典型的微电网结构。然而，这些微电网内的电价在很大程度上缺乏监管，许多运营商并不遵守政府发布的指导电价。这引发了一个关键问题：微电网所有者如何利用其市场力量制定电价以最大化利润？而消费者，尤其是那些面临能源贫困的消费者，又会如何应对电价波动？

为了深入探究这一问题，一项发表在《IEEE Transactions on Energy Markets, Policy and Regulation》上的研究，对黎巴嫩南部Deir Kanoun al Naher（DKN）镇的一个微电网进行了深入案例分析。这项研究有两个核心目标：首先，利用该微电网独特的月度数据集，估算居民用户的电力需求弹性；其次，分析微电网所有者如何利用对这一弹性的认知来制定利润最大化的电价策略。理解低收入国家的家庭消费模式，对于制定既能保护弱势群体又能维持投资者盈利能力的针对性定价政策至关重要。同时，在监管薄弱、电力主要用于满足基本需求的背景下，分析生产者控制电价对消费者福利的影响也具有重要意义。

研究人员为开展此项研究，主要应用了两个关键技术方法。一是采用普通最小二乘（OLS）估计量，通过双对数线性模型设定（ln D_t = α₀ + α₁ ln P_t + α₂ ln PG_t + α₃ ln PV_t + ε_t），以电力需求（D_t）为因变量，电价（P_t）、公共电网可用时间（PG_t）和太阳能光伏（PV）渗透率（PV_t）为自变量，估算需求弹性。所使用的数据集覆盖了2021年1月至2024年8月期间DKN微电网的柴油消耗、运行时间、用户用电量、售电价格、政府定价、光伏新增装机以及度日数等关键指标。二是构建了一个基于Stackelberg博弈理论的优化模型，其中微电网所有者作为领导者（Leader）设定电价，聚合的居民消费者作为跟随者（Follower）通过抑制需求（q_t^supp）来响应价格变化。该模型将领导者的利润最大化目标（max q_t^cov (P^t + Δp_{t)）与跟随者的需求反应约束（如 qt^supp = (Δpt/P^t) α1 Dt）相结合，并通过线性化技巧（如Big-M法）处理模型中的非线性项和互补约束，最终转化为混合整数线性规划问题求解。}

IV. 结果

A. 电力需求弹性

OLS估计结果表明，电力消费是缺乏弹性的（绝对值小于1），其中截距和销售价格被确定为显著因素。需求的价格弹性（α₁）为-0.4788（t值：-2.870），这意味着电价每上涨1%，电力需求约下降0.48%，表明需求对价格变化相对不敏感。而公共电网时间和太阳能光伏渗透率在统计上均不显著。该估计值与巴西、墨西哥、智利和莫桑比克等其他发展中国家研究报告的弹性值（-0.36至-0.58）范围相符。

B. 考虑需求弹性的利润最大化定价策略

分析表明，微电网所有者可以通过提高售电价格来增加收入。当考虑估计的需求弹性并将其明确纳入定价策略时，模型建议将电价提高54%（相对于观测值）。

这一策略预计可使收入增加约14.18%。

但同时，由于需求具有弹性，这将导致25.9%的需求被抑制，即这部分需求因价格上涨而无法或不愿得到满足。

C. 关于销售价格弹性的敏感性分析

由于模型中相对价格涨幅和抑制需求份额随时间保持不变，销售价格弹性成为决定其值的唯一因素。敏感性分析揭示了它们之间的关系：抑制需求份额随弹性绝对值增大而线性减少（例如，弹性为-0.2时，抑制需求为-40%；弹性为-0.8时，抑制需求为-9.64%）。而相对收入增加和相对价格增加则呈现非线性趋势，在弹性绝对值较小时非常显著，随着弹性绝对值增大而迅速减小。这表明，更高的需求弹性（即消费者对价格变化更敏感）可以缓解微电网所有者过度提价的策略，因为提价会导致需求更大幅度的下降，从而削弱提价的收益效果。

本研究通过分析2021年至2024年黎巴嫩一个微电网的独特数据集，揭示了其市场运行机制。该微电网的特点是所有者拥有市场支配力，主要依赖柴油发电机，公共电网可用性极低，且居民自有的太阳能光伏容量显著增长。研究表明，该微电网的居民电力需求相对缺乏弹性（-0.4788），这与大多数发展中国家的情况一致。当微电网所有者将这一需求弹性知识应用于其定价策略时，为了实现利润最大化，她会选择将电价提高54%，这预计能带来约15%的收益增长，但代价是抑制了约25%的初始需求。敏感性分析进一步强调，需求弹性越高，微电网所有者实施激进定价策略的空间就越小，因为提价会引发需求更大幅度的下降，从而需要在定价和满足需求之间寻求更精细的平衡。

这些发现引出了一个更深层次的问题：如何有效提高居民的需求弹性？尽管本研究的分析未发现公共电网可用时间和太阳能光伏渗透率具有统计显著性，但作者认为未来研究需要更深入地理解这些因素，它们或许能为政府制定有效且有针对性的政策提供依据。目前，政府对现有微电网机制的直接影响力有限。此外，研究结果凸显了监管机构在保护脆弱消费者（特别是那些遭受能源贫困、在价格上涨时无力减少需求的消费者）方面应发挥的重要作用。该研究不仅增进了对低收入国家家庭用电模式的理解，也为在监管薄弱环境中平衡投资者利润与消费者福利的定价政策提供了量化分析工具，对推进能源公平（SDG7）具有重要启示意义。公共电网和太阳能光伏渗透率在微电网市场动态中的作用，仍是未来研究的一个 promising direction（有前景的方向）。