汾阳水电站工程项目在发展史上经历了两次重要的改造。最初的二级站建于一级站下游200米，利用一级站尾水，设计水头为17米，流量为1.38立方米/秒。站内配置有HL300-WJ-42型水轮机和TSWN59/41-8型低压发电机等，1974年底，125+75千瓦机组投入运营，形成了一个拥有1160千瓦总装机容量的电站。然而，该站的发电性能在枯水期受限，只有100千瓦的出力，总投资为123.18万元，全部由县财政出资。
到了1976年底，汾阳水电站改名后，其扩建工程启动。原电站的问题在于水轮发电机组性能不佳，压力管道直径过小，导致流速高达3.4米/秒，水头损失较大。这使得最大出力仅为900千瓦，出现了“机组未满发前池已弃水”的现象。为解决这些问题，1988年成立了扩建指挥部，决定进行技术改造。新的设计方案改为一级开发，设计水头提升至120米，流量提升至2.4立方米/秒，计划安装4×500千瓦的新型机组。
改造工程选用政和水轮机厂的XJ02-W-50A/1×13型水轮机和TT-150型调速器，以及SFW500-8/990型水轮发电机，每台发电机功率500千瓦，机端电压为0.4千伏。总投资额增加至308.9万元。1989年底开始安装，经过一段时间的建设，新的机组于1990年5月1日顺利投产发电，标志着汾阳水电站性能得到了显著提升，发电效率显著提高。
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