利用河川水流所蘊藏的能量生產電能的工廠。水力發電是無污染的可再生能源。開發水電可以節省儲量有限的煤炭、石油等礦物燃料（它們同時又是重要的化工原料）的消耗。水力發電的開發還兼有防洪、灌溉、航運等綜合效益。水電站使用壽命較長，檢修維護簡單，事故少，發電成本低，又可以配合，改善火電廠、核電站運行，提高電力系統的穩定性和發電經濟效益。因此，自1888年美國人建成世界上第一座水電站以來，各國都很重視水電站的興建。發達國傢的可用水電資源在20世紀60年代即已基本開發完完。到80年代，世界最大水電站──伊泰普水電站的設計裝機容量為1260萬千瓦（機組容量70萬千瓦）。中國於1907年動工興建瞭第一座水電站──石龍壩水電站，裝機容量600千瓦。80年代，中國最大的水電站為葛洲壩水電站，裝機容量271.5萬千瓦。
分類 水電站的分類方式有多種。
按電站結構和水能開發方式可分為：①引水式水電站。這種電站靠攔截河川水流，由進水口經引水渠將水引進廠房驅動水輪發電機組發電。②堤壩式水電站。這種電站利用在河川上築壩蓄水以獲得水頭發電。③堤壩、引水混合式水電站。前兩者組合的一種水電站形式。它通過大壩和引水渠獲得水頭發電。
按電站性能和水流調節程度可分為：①徑流式水電站。這種電站沒有調節水庫，來多少水發多少電，豐水時常有大量棄水，水流利用程度低，發電能力隨季節、水流而變。②水庫式水電站。利用發電用水庫蓄水發電的電站。其庫容能對徑流進行多年調節或年(季)調節，也可進行月（旬）調節。豐水期發電並蓄水，枯水期利用所蓄之水發電。這種電站水流利用程度高。③調節池式水電站。僅能對徑流進行日調節或周調節的水電站，庫容較小。④反調節池式水電站。附屬於反調節池的電站。反調節池的作用是使上遊堤壩式水電站和調節池式水電站群聯合運行所形成的劇烈波動的水順流下泄的蓄水池。
按水電站廠房佈置可分為：①壩後水電站。廠房設在大壩下遊側地面上。②壩內水電站。安置發電設備的廠房建築在大壩內預留的洞中。③地下水電站。廠房建築在地下硐室中。
按主機佈置方式還可分為地面式和地下式水電站。而建築物形式又可分為屋內式、半露天式和露天式等。
組成 水電站一般由水工建築物、廠房、發電動力裝置、電工一次系統、電工二次系統等部分組成。其結構如圖所示。
圖中壅水建築物、引水建築物、泄洪建築物均為水工建築物，發電動力裝置包括水輪發電機組和主廠房中一些輔助設備。
水工建築物 主要作用是壅高水位，形成有調節能力的水庫，渲泄調蓄後多餘的水量和非常洪水，提供運轉廠房和水道系統。分為壅水建築物、引水建築物、泄水建築物等。
①壅水建築物：堤壩式水電站的主要水工建築物，核心建築為大壩。大壩可分為混凝土壩和土石材料壩。大、中型水電站都采用混凝土壩，以保證足夠的強度和壽命，水電站的基建投資大部分用於攔河築大壩上（具體百分比隨壩址地形、河道條件等多項因素而定）。
②引水建築物：包括進水建築物和輸水建築物兩部分。前者有進水口、攔污柵、閘門等。後者有渠道、隧洞、調壓室、壓力管道等。隧洞可分有壓和無壓兩種，壓力管道多為鋼管，依敷設條件可分為壩式、隧洞式和露天式。
③泄水建築物：其功用包括用於渲泄汛期洪水、非常時期放空水庫以及沖砂、排冰、排放漂木等。主要有溢洪壩、溢流壩、泄水閘、泄洪隧道及底孔等。水電站的尾水建築和尾水渠、下遊調壓井等也屬泄水建築物。
廠房 水電站的廠房形式與規模決定於電站的主要參數(如水頭、流量、裝機容量、機組數和機組類型等)和自然條件（如水文、氣象、地形、地質等）以及其他特殊要求。主廠房中安置水輪發電機組等發電動力裝置的主要設備。其常見形式有：①地面戶內式，②河床式，③露天式，④地下式，⑤壩內式，⑥溢流式等。
發電動力裝置 主要包括水輪發電機組及其輔助設備。機組由水輪機和發電機組合而成。由於不同形式的水輪機適用於不同的水頭，所以各水電站應根據具體條件選用恰當的水輪機。應用最廣的是混流式反擊水輪機，它的使用水頭范圍寬(30～700米)，最大單機容量達70萬千瓦。切擊式沖擊水輪機也能用於高水頭、大容量。到80年代，最高水頭機組的水頭達1763.5米。其他機型還有軸流式轉槳水輪機、貫流式水輪機、可逆水輪機等若幹機型(見水輪發電機組)。輔助設備包括冷卻裝置、制動裝置、調速裝置等。
電工一次系統 由變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、避雷器、消弧線圈等電工一次設備通過主結線、導線組成一個整體。主要作用是安全、經濟地發電，靈活地匯集和分配電能。決定主結線的設計和選用的因素很多，主要是電力系統對該電站的要求，包括可靠性要求、輸電電壓、每級電壓的出線回路數、不同運行時的潮流分佈、調相運行的必要性、系統對電站機組的要求、變壓器的調壓方式及范圍等等。電工一次系統是水電站電氣部分的主體，它與電力系統的安全穩定運行、過電壓和絕緣配合、短路容量等密切相關。
電工二次系統 以電子計算機為核心的監測、控制、保護系統，主要作用是監視、控制電工一次系統的運行，保證電能質量，並在電工設備出現異常和事故時自動報警或切除故障，以縮小事故范圍。隨著自動控制的發展，水電站正逐步實現全電站的綜合自動化。
水電站運行 指導運行的原則是要在經濟合理地利用水力資源、保證電能質量的基礎上，全面實現安全、滿發、經濟、多供的要求。水電站在電力系統中擔任調頻、調峰、調相、備用等任務。一般在洪水期間應充分利用水量，使全部機組投入運行，實現滿發、多供，承擔電力系統基荷；在水庫供水期間運行時，應盡量利用水頭，承擔電力系統的腰荷和尖峰負荷，充分利用可調出力，起到系統的調頻、調峰和事故備用的作用。
水電站運行時，會受到不同河流之間補償調節的影響；同一河流梯級開發時徑流調節的影響；以及電力系統中，火電廠、水電站之間電力補償的影響。在選擇運行方式時，必須考慮這些因素。
水電站運行包括正常運行、特殊運行、異常運行和經濟運行。要使水電站正常運行，需註意電站的檢修。
正常運行 可由自動和手動實現開機、停機，並由遠方通過功率給定裝置實現機組帶負荷。運行中要註意：①機組冷卻風溫變化對運行的影響；②電力系統電壓變化對機組運行的影響；③電力系統頻率變化對機組運行的影響；④功率因數變化對機組運行的影響。
特殊運行和異常運行 特殊運行包括調相運行和進相運行。前者指發電機在運行中功率因數發生變化並降至零時，電力系統需要補充無功功率，以調整系統的電壓值回復到允許水平。這時，水電站的發電機需降低有功功率作調相運行。通常采用壓水調相（即向水輪發電機的轉輪室通入壓縮空氣以降低轉輪室水位）。進相運行是電力系統低負荷運行時，容性無功容量過剩，就人為造成發電機從電力系統吸收無功功率，以降低系統某些點的過高的電壓。異常運行指電站機組運行中出現異常或事故，這時應采取緊急措施，盡量避免事故擴大，並減少事故對系統的影響。
經濟運行 原則是根據電力系統對水電站分配的負荷，合理選擇機組的運行臺數和機組間負荷的經濟分配，用較少的水，發出盡可能多的電。主要措施是實行水庫的合理調度，保持水電站於高水位運行。另外，在一定負荷下，合理選擇開機臺數，控制機組在高效率區運行等也是有效措施。
電站的檢修 包括檢查和維修。檢查分為：①每1～2周一次的巡視。內容是在設備運行狀態下，通過觀察和常備的儀表檢查有無異常情況，並進行註油和清掃。②每1～3年一次的定期常規檢修。是在停機情況下，主要從外部進行檢查和測量。③每5～10年進行一次定期詳細停機檢修。維修分為：①臨時維修。即發現異常或故障所作的及時修理。②計劃維修。為保證安全而進行的預防性維修和恢復性維修。這種維修需根據檢查結果按計劃進行。水電站的檢修除臨時檢修外，均應安排在枯水季節進行，並在洪水季到來之前完成。
隨著水電站運行水平的提高，維護業務趨於集中化，即將鄰近幾個水電站集中在一個維修站進行檢查和維修。這種方式不僅可節省人力，還可使水電站維修水平一致。
水電站建設 水電開發是一項系統工程。在興建水電站時，從規劃設計開始，就要以系統工程的方法，處理好各個環節之間的關系，取得優化效果。
規劃設計 水電站的建設應按照全面規劃、統籌兼顧、綜合平衡的原則，正確處理工業與農業，除害與興利，遠景與近期，幹流與支流，上、中、下遊，大、中、小型，防洪，發電，灌溉與航運，水電與火電（及其他能源），發電與用電等各方面之間的關系。在流域規劃中，應根據綜合利用原則和水文、地理、地質等條件，進行河流的梯級開發。合理選定壩址、確定壩高，以獲得良好的綜合效益；優先考慮使用上遊梯級樞紐有較好的調節能力，同時，應能使下遊梯級充分利用水能資源，並可渠化河道，改善航運。
站址選擇與生態環境 水電站站址的選擇主要是大壩壩址的選擇。選擇時應考慮開發規模、工程投資和選址可能等，從多個備選壩址中選定最佳壩址。壩址的樞紐佈置與開發規模密切相關，一般應符合以下條件：①引水渠道短，而且易於得到高水頭，流量大並且流態好。②樞紐工程和其他建築物的施工地點的地形和地質條件良好。③容易就近得到工程所需材料。④對環境的破壞和拆遷賠償較少。⑤交通便利，易於運入設備和工程材料。
開發規模則取決於流量和水頭。因此，應編制各種不同流量和水頭的方案進行概略設計並計算造價，以此選擇最經濟的開發規模。確定規模時還應考慮將來的需要，和其他電站的配合等因素，以使整個系統最為經濟，據此確定各個壩址的開發順序。
在工業發達國傢，一般水電站的壩址很早就進行瞭開發。剩下的壩址中，能經濟開發的壩址已開發完畢，隨著火電站燃料費用的大幅度上漲，過去不能開發的壩址又相對地提高瞭其經濟價值；此外，從有效利用本國資源的角度出發，對那些曾放棄的壩址，也有再度調查並盡量開發的傾向。至於一些運行中的水電站，在可能的情況下，也應擴建，增裝機組，提高發電能力。
環境問題 生態環境可能發生的變化是開發水力資源時應特別註意的問題。雖然水電污染少，但由於大規模建壩建庫，改變瞭原來自然水域的佈局，有可能使局部地區的氣候，包括雨量、溫度、濕度、氣溫等發生變化，從而改變生態環境。建設水電站，特別是一些特大型水電站時，在規劃設計階段，應充分考慮建站後可能引起的生態環境問題。