A.- B._ a travaillé comme aide-infirmière au service de X._. A ce titre, elle était affiliée à la Fondation collective LPP de l'Elvia Vie (ci-après : la fondation LPP). L'Office AI pour le canton de Vaud a constaté, dans son prononcé du 1er février 1996, que B._ présentait une invalidité de 100 % dès le 19 janvier 1996. Sur la base de cette décision, la fondation LPP lui a octroyé, à compter du 19 janvier 1996, une rente annuelle d'invalidité de 13'440 fr., ainsi qu'une rente annuelle d'enfant d'invalide de 1641 fr. (communication du 27 mars 1996). Invoquant ultérieurement son erreur, la fondation LPP a réclamé à l'assurée, par lettre du 29 mars 1999, le remboursement de 39'957 fr. 20, montant versé jusqu'au 30 juin 1999, à tort en raison de la surindemnisation. Elle a suspendu provisoirement dès cette date le versement des rentes en cours. B.- Par écriture du 11 juin 1999 adressée au Tribunal des assurances du canton de Vaud, B._, représentée alors par sa curatrice, a demandé à ce qu'il soit constaté qu'elle ne devait pas rembourser le montant précité. Sous suite de frais et dépens, la fondation a conclu à l'irrecevabilité de la demande, subsidiairement à son rejet et, reconventionnellement, au paiement de 18'368 fr. avec intérêts à 5 %. Par jugement du 15 mai 2001, la juridiction cantonale a retenu que B._ n'était pas tenue de rembourser le montant réclamé par la fondation LPP; celle-ci devait reprendre le versement des rentes dues à compter du jour où elles avaient été suspendues. C.- La fondation LPP interjette recours de droit administratif contre ce jugement dont elle demande l'annulation. Elle conclut, principalement, à ce que B._ soit tenue de lui rembourser le montant de 9287 fr. 80, et invoque la compensation avec les rentes échues. Subsidiairement, elle demande le renvoi de la cause à la juridiction cantonale pour instruction complémentaire portant sur le montant à restituer et la compensation. B._ a conclu à l'admission du recours, alors que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.