本实用新型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；本实用新型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。