本发明公开了一种基于预混燃烧方式的补燃式压缩空气储能系统，包括连通的压缩空气存储单元和压缩空气释能单元，压缩空气释能单元至少包括两级连通的透平，分别为空气透平和烟气透平，空气透平的进气端串接有用于加热压缩空气的第二换热器，烟气透平的进气端串接有第一补燃燃烧器，第一补燃燃烧器与空气透平之间连通有第三换热器，第三换热器用于加热进入第一补燃燃烧器的压缩空气，第二换热器和第三换热器的换热介质由烟气透平的排烟提供；本发明是以压缩空气为介质的补燃式储能系统，通过梯级利用烟气余热提高了电能存储效率；基于相对比较成熟的型式选择系统中的核心设备，降低了研发的难度和风险。