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水电站是将水的势能转换为电能的电站。水轮机将水的势能转换为动能，然后带动发电机旋转再转换为电能。
获取天然流水的势能的方式有两种：①堤坝式，建设一定高度的水坝，由堤坝的阻挡而使水位升高；②引水式，将上游的水，经很小坡度（0.1%~0.2%）的渠道或隧洞引至下游，经过一段距离后与下游河道形成落差。堤坝式常用于大容量水电厂，引水式常用于小容量水电厂。
堤坝式水电厂分为两种形式：坝后式和河床式。前者发电厂房在坝后，例如我国的葛洲坝水电站和三峡水电站，有足够的坝长，可在坝后建设发电厂房。后者厂房在坝侧的河床上，例如我国的二滩电站和溪洛渡电站，因为坝短而将发电厂房建在河床的地下。图1.6示出坝后式水电厂的结构，箭头示出发电用水的流动通道。上游高压力的水经引水管进入水轮机的固定部分——蜗壳，在蜗壳的引导下压力水从四周进入水轮机的转动部分——转轮，压力水在转轮中释放的能量转换为机组转动的动能，发电后的出水称为尾水。
上游水平面与下游水平面（即尾水平面）的高差称为水头。水在整个流道中释放的能量等于其在上游水平面与下游水平面两处的势能差，因此水轮发电机的发电功率与水头和流量成正比。计及能量转换效率，发电功率的近似算式为：
图1.6 坝后式水电厂的结构图
1—大坝；2—厂房；3—水轮机；4—发电机；5—上游水平面；6—下游水平面；7—进水闸门；8—尾水闸门；9—尾水平台
式中 P ——发电功率，kW;
H ——水头，m;
Q ——流量，m 3 /s。
我国三峡电站设计坝顶高程为海拔185m，上游水平面最大高程为海拔175m，下游水平面高程为海拔83.2m。表1.2列出该站使用的ALSTOM公司水轮机的主要技术参数。
表1.2 三峡电站水轮机的主要技术参数
水轮机的转轮在水中运动时因流体力学的原因导致转轮损伤，表现为转轮表面金属的斑状脱落，称为气蚀。为减小气蚀，大容量的水轮机将转轮埋入尾水中，转轮中心线低于尾水平面的高度称为虹吸高度 H S 。因此，水轮机的进水与出水通道上均装有闸门7、8，水轮机检修时需关闭两侧闸门，该闸门动作速度较慢（以分计）。
进入转轮的水流量还受调节阀门的控制，该阀门称为导水叶（图中未绘出）。导水叶的开度连续可调且动作速度较快（以秒计）。导水叶的作用类似于调速气门在汽轮机中的作用：水轮机的调速系统按水轮机的转动频率对导水叶进行操作，以保证水轮机的转动频率的稳定，从而也保证发电机电气频率的稳定。
依靠高坝来获取水的势能的水电厂，在上游形成水库，造成淹没损失，其中包括将大面积的植被变成了水面，对环境有一定的影响，需要很好地考虑。
图1.7为引水式电厂的水流系统示意图。该系统中水坝的主要作用是便于引水渠道取水，而不是获取水头，因此高度较低。
压力前池的作用是保证压力水管中的水中不混合空气，以免造成水流冲击。相对于河道岸边的发电厂房，压力前池的水具有较大的势能，经压力管道引入水轮机发电。
与火电厂比较，水电厂的水工建筑工程大，建站时间长，单位kW投资大，但发电成本低。
在同一条河上，往往建设多个水电站，称为梯级开发。梯级电站从上到下排序，上级电站的尾水是下级电站最主要的来水，如何从航行、发电的综合效益考虑，使梯级电站运行最佳是一个十分重要的技术、经济问题，称为梯级电站的运行调度优化。
图1.7 引水式电厂的水流系统图
1—水坝；2—引水渠道；3—天然河道；4—压力前池；5—压力水管；6—发电厂房
与火电厂相反，水电厂的运行特点是：①启停迅速（水电机组从启动到带满负荷仅需几分钟）。②无最低负荷限制，常用于平衡负荷的变动部分，甚至在负荷低谷时停运，高峰时投运，称为调峰。③由于来水受季节性的影响，因此发电功率受季节性的限制，有丰水期和枯水期之分。枯期发电功率约为丰期的30%，全年最大负荷运行时间短，一般为1500~3000h，少数大江上的径流电站（设计装机容量偏小）可达5000h。
电力系统运行的主体是用电负荷，发电功率必须随时跟踪用电负荷功率的变化，以保持系统频率与电压的稳定性。显然水、火并举的发电系统具有很好的跟踪能力，因此便于运行调度，一般情况下水电装机容量占全系统容量的30%左右为宜。
水电站的容量取决于落差和水流量两个因素的乘积。水流量取决于气候条件与积雨面积，取决于站址区域的天然水文条件，落差则依赖于坝的高度。为减少淹没损失，水电站宜建于山区或半山区，同时还应考虑对渔业资源的影响。大型水电站还应考虑对生态环境等多方面的影响。
在水电装机比例较小、调节容量不足的电网中，可建设抽水蓄能电站。抽水蓄能电站与普通水电站的差别如下：
①水工建筑中除上游水库外，还增建下游水库，以积蓄尾水。
②大型抽水蓄能电站中，抽水机组与发电机组合二为一，即原动机既是水轮机也是抽水泵，电机既是发电机也是电动机。
抽水蓄能电站的运行方式有两种：
①发电方式。水由上库流至下库，机组正转，作为水轮发电机组，由上库水的势能转变为发电机输出的电能。
②提水方式。电机吸收电网功率，机组反转，作为电动水泵机组，水由下库提至上库，由电动机吸收的电能转变为由下库流至上库的水的势能。
抽水蓄能电站可以视为是利用水的势能做成的一个大容量蓄电池。抽水蓄能电站的水是反复利用的，天然来水仅用于补充水的损失。因此，受水文条件的影响很小，一般建在负荷中心或核电站附近，以减少电能传输损失。
建设抽水蓄能电站可以在技术和经济两个方面取得效益：
①技术效益。便于电力系统调度运行：在负荷高峰段发电，保证用户不停电；在负荷低谷段抽水，保证火电厂不停运。由于核电站容量很大，为保证其安全稳定运行，一般保持发电功率恒定，因此，往往需要配套建设抽水蓄能电站。
②经济效益。在电力市场中，负荷高峰段与低谷段的电价（峰谷电价）有成倍的差别，抽水蓄能电站在低谷时买进，在高峰时卖出，可以取得很大的经济效益。抽水蓄能电站的发电效率不小于65%，即用电1kW·h抽取的水可发电0.65kW·h，而峰谷电价差远高于这一比值。
抽水蓄能电站的总效率取决于发电效率与提水效率的乘积，为65%~75%。当发电机组与电动机组合为一体时，为了提高水机效率，往往需要发电与提水有不同的转速。如为同步机，则需改变磁极对数，这时电机结构及其控制系统将大为复杂化，同时大容量同步电动机启动也较为困难。如能将同步电机异步化（可小范围改变转速）或在容量不大的情况下使用变速恒频异步电机作为发电电动机组，将使上述两个问题都得以简化。