本发明提供一种多机串联运行的单轴压缩机组系统及其控制方法，主要解决现有串联压缩机组的压缩机运行效率低、压缩机配置复杂的问题。该系统包括低压机组、高压机组、第一输出管路、第二输出管路、高压防喘振阀、低压防喘振阀、放空阀和放空消音器；低压机组和高压机组均为多段式单轴离心压缩机组；低压机组通过变频电机驱动，其进口与外界大气连通，出口分别与高压机组的入口、第一输出管路连接；高压机组通过变频电机驱动，高压机组的出口与第二输出管路连接；高压防喘振阀的进口与高压机组的出口连接，出口连接在高压机组进口和调节阀出口之间的管路上；低压防喘振阀的进口与低压机组的出口连接，出口与外界大气连通。