本发明涉及一种压缩空气储能系统、控制方法及多级储热罐，涉及压缩空气储能技术领域。系统包括多级压缩机、多级换热器、储气罐、多级换热器、多级膨胀机和多级储热罐；多级换热器与多级压缩机相对应，每一级换热器设置在相应压缩机出气口之后的气路上；储气罐设置在换热器和回热器之间的气路上；多级回热器与多级膨胀机相对应，每一级回热器设置在相应膨胀机进气口之前的气路上；多级储热罐设置在对应的换热器和回热器之间的储热介质回路上；多级储热罐包括高温储热罐、中温储热罐和常温储热罐，高温储热罐和中温储热罐采用双层储热罐，高温介质存储在内层，中温介质存储在外层。上述结构进一步提高在压缩空气过程中所产生的热能的利用效率。