本发明公开了压缩空气储能系统的非设计工况运行方法，包括：根据系统运行环境温度，确定压缩子系统运行范围，选择储热子系统运行模式；设定空冷器热端出口温差，建立储能阶段部件参数调控模型；确定膨胀子系统运行参数，建立释能阶段部件参数调控模型；建立系统全周期效率最优运行模型。综合考虑了环境状态变化对压缩空气储能系统主要工作部件的影响，确定系统在变工况条件下的参数运行范围，提高了运行稳定性。根据环境温度选择储热子系统的运行模式，优化运行参数，有效提升能量转换及余热利用效果，实现系统在全环境温度范围内能量效率最大化，获得高于设计工况的全周期效率，提高了变工况条件下压缩空气储能系统的运行稳定性及其变工况性能。