本发明公开了一种基于超级电容储能的光伏发电虚拟惯量补偿系统，包括依次电连接的光伏阵列、升压电路以及并网逆变器；还包括用于储能的超级电容器组件、双向DC-DC变换器及虚拟惯量控制模块；双向DC-DC变换器，其一端与单向DC-DC升压电路的输出端及并网逆变器的输入端电连接，其另一端与超级电容器组件电连接；双向DC-DC变换器包括功率开关器件；虚拟惯量控制模块包括依次电连接的第一反相加法器、虚拟惯量换算器、第二反相加法器、第一PI控制器、第三反相加法器、第二PI控制器及PWM脉宽调制解调器；PWM脉宽调制解调器输出脉冲信号控制双向DC-DC变换器的功率开关器件的通断。本发明可以避免频率噪声对系统稳定性的影响。