本发明涉及压缩空气储能技术领域，具体涉及一种超临界压缩空气储能系统，包括：储能管路，其上设有依次连接的压缩机组、第一蓄冷换热器、气液分离器和低温绝热储罐；释能管路，其上设有依次连接的低温绝热储罐、第一蓄冷换热器和膨胀机组；从气液分离器输出的较高压力气体通过气体支路经第一蓄冷换热器进行一次换热后，进入低温透平机膨胀降温至接近大气压强，然后再经第一蓄冷换热器进行二次换热后返回到压缩机组。在储能系统工作时，保证返回到压缩机组处的补偿空气接近大气压，使得补偿空气始终通入压缩机组中的首级压缩机入口中，在压缩机组每一级压缩机中输入的空气压力和流量均能保持恒定，使得压缩机组能够长时间稳定运行。